Photovoltaik im (Klima-) Wandel
Betrachtung der Potenziale und Perspektiven solarer
Stromerzeugung an der deutschen Ostseeküste unter dem
Einfluss des Klimawandels
Cindy Dengler
RADOST-Berichtsreihe
Bericht Nr. 15
ISSN: 2192-3140
Kooperationspartner
REPORT
GEOTHERMIE IM (KLIMA-) WANDEL
BETRACHTUNG DER POTENZIALE UND PERSPEKTIVEN
GEOTHERMISCHER ENERGIENUTZUNG AN DER
DEUTSCHEN OSTSEEKÜSTE UNTER DEM EINFLUSS DES
KLIMAWANDELS
Cindy Dengler
GICON – Großmann Ingenieur Consult GmbH
RADOST-Berichtsreihe
Bericht Nr. 10
ISSN: 2192-3140
Rostock, März 2012
REPORT
PHOTOVOLTAIK IM (KLIMA-)
WANDEL
BETRACHTUNG DER POTENZIALE UND PERSPEKTIVEN
SOLARER STROMERZEUGUNG AN DER DEUTSCHEN
OSTSEEKÜSTE UNTER DEM EINFLUSS DES
KLIMAWANDELS
Cindy Dengler
GICON – Großmann Ingenieur Consult GmbH
RADOST-Berichtsreihe
Bericht Nr. 15
ISSN: 2192-3140
Rostock, Juli 2012
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
5
Inhalt
Vorwort................................................................................................................................. 9
1 Einleitung ...................................................................................................................12
2 Photovoltaik ...............................................................................................................14
2.1 Das natürliche Potenzial der Photovoltaik ...............................................................15
2.1.1 Globalstrahlung .................................................................................................................... 15
2.2 Das technische Potenzial der Photovoltaik ..............................................................18
2.2.1 Technik ................................................................................................................................. 18
2.2.2 Rechtliche Rahmenbedingungen ....................................................................................... 21
2.3 Das wirtschaftliche Potenzial der Photovoltaik ........................................................25
2.3.1 Kosten .................................................................................................................................. 26
2.3.2 Einnahmen ........................................................................................................................... 28
3 Klima und Klimawandel ............................................................................................30
3.1 Klima und Klimawandel an der deutschen Ostseeküste ..........................................31
3.1.1 Bisherige Klimaveränderungen .......................................................................................... 31
3.1.2 Mögliche Klimaänderungen bis 2100 ................................................................................. 32
4 Entwicklung der Potenziale der Photovoltaik unter dem Einfluss des
Klimawandels ............................................................................................................35
4.1 Einfluss des Klimawandels auf die Parameter des natürlichen Potenzials ...............36
4.1.1 Globalstrahlung .................................................................................................................... 36
4.1.2 Zusammenfassung: Folgen des Klimawandels für das natürliche Potenzial der
Photovoltaik .......................................................................................................................... 40
4.2 Einfluss des Klimawandels auf die Parameter des technischen Potenzials .............41
4.2.1 Technik ................................................................................................................................. 41
4.2.2 Rechtliche Rahmenbedingungen ....................................................................................... 43
4.2.3 Zusammenfassung: Folgen des Klimawandels für das technische Potenzial der
Photovoltaik .......................................................................................................................... 45
4.3 Einfluss des Klimawandels auf die Parameter des wirtschaftlichen Potenzials ........46
4.3.1 Zusammenfassung: Folgen des Klimawandels für das wirtschaftliche Potenzial der
Photovoltaik .......................................................................................................................... 47
5 Zusammenfassung ....................................................................................................48
Literaturverzeichnis ...........................................................................................................51
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
6
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Potenzialdefinitionen für erneuerbare Energien [vgl. WM M-V 2011] .............10
Abbildung 2: Einfluss- bzw. Restriktionsbereiche bei der Nutzung erneuerbarer Energien .11
Abbildung 3: Anteile der erneuerbaren Energien u.a. am gesamten Stromverbrauch
Deutschlands in den Jahren 2010 und 2011 [BMU 2012a] ............................12
Abbildung 4: Entwicklung der Strombereitstellung und installierten Leistung von
Photovoltaik-Anlage in Deutschland 1990-2011 [BMU 2012a] .......................13
Abbildung 5: Zusammensetzung der Globalstrahlung aus direkter, diffuser und reflektierter
Strahlung .......................................................................................................15
Abbildung 6: Aufbauprinzip einer Photovoltaik-Anlage .......................................................18
Abbildung 7: Entwicklung Endkundenpreis für Photovoltaik-Anlage 2006 bis 2012 [BSW] .26
Abbildung 8: Entwicklung der Globalstrahlung (3.600 MJ = 1.000 kWh) seit 1893 am
Standort Potsdam (Legende: rote Linie = Jahreswerte, gelb = Mittelwert
1901/2010, blau = gleitender 11j. Mittelwert, grün = 70j. Schwingungen) [DWD
2011] .............................................................................................................36
Abbildung 9: mögliche mittlere Änderung des Bedeckungsgrades bis 2050 im Vgl. zu
1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012] ............................................38
Abbildung 10: mögliche mittlere Änderung des Bedeckungsgrades bis 2100 im Vgl. zu
1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012] ............................................38
Abbildung 11: mögliche mittlere Änderung der Sonnenscheindauer bis 2031/2060 im Vgl. zu
1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012] ............................................39
Abbildung 12: mögliche mittlere Änderung der Sonnenscheindauer bis 2071/2100 im Vgl. zu
1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012] ............................................39
Abbildung 13: mögliche mittlere Änderung der Anzahl der Sommertage bis 2031/2060 im
Vgl. zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012] .................................42
Abbildung 14: mögliche mittlere Änderung der Anzahl der Sommertage bis 2071/2100 im
Vgl. zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012] .................................42
Abbildung 15: mögliche mittlere Änderung der Anzahl der heißen Tage bis 2031/2060 im Vgl.
zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012] ........................................42
Abbildung 16: mögliche mittlere Änderung der Anzahl der heißen Tage bis 2071/2100 im Vgl.
zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012] ........................................42
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
7
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Strahlungsleistung je nach Bedeckungsgrad .................................................16
Tabelle 2: Wirkungsgrade unterschiedlicher Solarzellentypen ........................................19
Tabelle 3: Eignungsbereich bzw. Flächen mit geringem Konfliktpotenzial ......................22
Tabelle 4: Vergütungssätze für eingespeisten Strom aus PV-Anlagen ab dem 01.04.2012
......................................................................................................................28
Tabelle 5: Klimaänderungen an der deutschen Ostseeküste bis heute (2009) im
Vergleich zur Referenzperiode (1961-1990) ..................................................32
Tabelle 6: Mögliche Änderungen der Temperatur an der deutschen Ostseeküste bis
Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zur Referenzperiode
(1961-1990) ...................................................................................................33
Tabelle 7: Mögliche Änderungen des Niederschlags an der deutschen Ostseeküste bis
Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zur Referenzperiode
(1961-1990) ...................................................................................................33
Tabelle 8: Mögliche Änderungen der Luftfeuchte an der deutschen Ostseeküste bis Ende
des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zur Referenzperiode (1961-
1990) .............................................................................................................33
Tabelle 9: Mögliche Änderungen der Windverhältnisse an der deutschen Ostseeküste bis
Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zur Referenzperiode
(1961-1990) ...................................................................................................34
Tabelle 10: Mögliche Änderungen der Bewölkung an der deutschen Ostseeküste bis Ende
des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zur Referenzperiode (1961-
1990) .............................................................................................................34
Tabelle 11: Parameter mit Einfluss auf die Potenziale der Photovoltaik ...........................35
Tabelle 12: mögliche Änderungen des Bedeckungsgrades in [%] im Vgl. zu 1961/1990 ..38
Tabelle 13: mögliche Änderungen der Sonnenscheindauer in [%] im Vgl. zu 1961/1990 .39
Tabelle 14: mögliche Änderungen der Anzahl der Sommertrage im Vgl. zu 1961/1990 ...42
Tabelle 15: mögliche Änderungen der Anzahl der heißen Tage im Vgl. zu 1961/1990 .....43
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
9
Vorwort
Die Vorkommen der fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas verringern sich
kontinuierlich. In absehbarer Zeit werden diese Energieträger verbraucht sein. Um die
verbleibenden Ressourcen so effizient wie möglich zu nutzen, werden Anpassungsstrategien
wie gesteigerte Energieeffizienz, Energieeinsparungen und der Umstieg auf andere
Energiequellen entwickelt. Aufgrund der Endlichkeit der fossilen Energieträger, aber auch
aus Sicht des Klima- und Umweltschutzes wird langfristig eine 100%ige Energieversorgung
aus erneuerbaren Energiequellen angestrebt. In diesem Sinn wird im Bereich der
erneuerbaren Energien viel in die Forschung nach effizienten und innovativen Techniken
sowie in die Anpassung rechtlicher Regelungen und technischer Richtlinien investiert.
Die erneuerbaren Energien stellen nach menschlichen Maßstäben unerschöpfliche
Energiequellen dar. Dennoch können von ihrem natürlichen Dargebot bisher nur wenige
Promille (Solarstrahlung, Wind) bis Prozente (Biomasse, Erdwärme) tatsächlich in Form von
Strom oder Wärme genutzt werden. Die Potenziale der erneuerbaren Energien werden
beeinflusst durch technischen Fortschritt und sich verändernden Rahmenbedingungen in
Politik und Wirtschaft. Im Bereich der erneuerbaren Energien spricht man daher unter
anderem von natürlichen, technischen und wirtschaftlichen Potenzialen der Energien.
Als natürliches Potenzial erneuerbarer Energien wird das innerhalb einer Region und einem
bestimmten Zeitraum theoretisch nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten nutzbare
Energieangebot eines Energieträgers (Erdwärme, Wind, Sonneneinstrahlung oder
Biomasse) bezeichnet. Synonym sind auch die Bezeichnungen theoretisches oder
physikalisches Potenzial im Gebrauch. Mittels physikalischer Gesetze oder auch
Naturgesetze werden Zustände und deren Änderungen eines physikalischen Systems (z.B.
Klimasystem) mittels messbarer, eindeutig definierter physikalischer Größen bzw. Parameter
oder Variablen beschrieben. Im Bezug auf den Klimawandel sind als Parameter z.B.
Lufttemperatur, Niederschlag oder Windgeschwindigkeit zu nennen.
Das technische Potenzial umfasst den Anteil am natürlichen Potenzial, der hinsichtlich der
aktuell besten am Markt verfügbaren Technik sowie unter Berücksichtigung struktureller und
ökologischer Restriktionen sowie gesetzlicher Vorlagen nutzbar ist. Die wirtschaftliche
Machbarkeit bleibt dabei unberücksichtigt. Technische Restriktionen ergeben sich aus den
Grenzen für Wirkungsgrade, Anlagengrößen und dem technischen Entwicklungspotenzial
der jeweiligen Nutzungstechnologien. Strukturell ergeben sich Nutzungseinschränkungen
beispielsweise durch Ortsgebundenheit (Erdwärme) oder einem begrenztem Transportradius
(Biomasse) der Energiequelle. Trotz ihrer Vorteile stellen Anlagen zur Nutzung der
erneuerbaren Energien auch Eingriffe in die Natur und Landschaft dar, aus denen sich
Beeinträchtigungen für diese ergeben können. Zum Schutz der Natur und Landschaft wird
die Nutzung der Erneuerbaren durch ökologische Restriktionen eingeschränkt. Dies erfolgt
hauptsächlich durch die Gesetzgebung (z.B. Raumplanung oder Schutzgesetze).
Das wirtschaftliche Potenzial umfasst den Anteil des technischen Potenzials, der
wirtschaftlich konkurrenzfähig genutzt werden kann. Es ist abhängig von konkurrierenden
Systemen sowie vom vorherrschenden Energiepreisgefüge und stellt im Idealfall die Kosten-
Nutzen-Situation ohne Berücksichtigung von Fördermaßnahmen dar. Im Bereich der
erneuerbaren Energien sind zum Ausgleich der vergleichsweise hohen Gesamtkosten
(Investition, Betrieb und Entsorgung) noch Fördermaßnahmen (z.B. EEG-Einspeise-
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
10
vergütung) notwendig. In den meisten Fällen ergibt sich daher das wirtschaftliche Potenzial
aus der Konkurrenzfähigkeit der gewinnbaren Energie inklusive der aus energiepolitischen
Gründen vollzogenen Fördermaßnahmen.
Nach Abzug aller bisher genannten Restriktionen verbleibt das ausschöpfbare Potenzial der
erneuerbaren Energien. Dieses wird jedoch selten vollständig realisiert, da zunächst noch
subjektive Hemmnisse und Zeitverzögerungen die Ausnutzung vermindern. Subjektive
Hemmnisse bzw. soziale Akzeptanzprobleme treten besonders deutlich bei der Diskussion
um Windkraftanlagen und Landschaftsbild hervor. So wurden bereits Projekte aus
landschaftsästhetischen Gründen nicht realisiert. Zeitverzögerungen entstehen u.a. durch die
Prioritätensetzung von Investoren, die sich meist zuerst auf die Projekte mit maximalem
Gewinn fokussieren. Abzüglich dieser Komponenten verbleibt das erschließbare Potenzial
als der tatsächlich zu erwartende Beitrag zur Energieversorgung.
Abbildung 1: Potenzialdefinitionen für erneuerbare Energien [vgl. WM M-V 2011]
Anhand dieser Potenzialdefinitionen ist zu erkennen, dass die Möglichkeiten zur Nutzung der
erneuerbaren Energien von vielen Parametern beeinflusst bzw. begrenzt werden. Diese
Parameter lassen sich in die Bereiche Natur, Technik, Recht und Wirtschaft einordnen. Die
technischen, rechtlichen und wirtschaftlichen Parameter sind das Ergebnis gesellschaftlicher
Entscheidungen. So kann z.B. ein heute noch potenzieller aber verbotener Anlagenstandort
durch Gesetzesänderungen morgen schon für die Nutzung wieder freigegeben werden oder
andersrum. Wie viel vom erschließbaren Energiedargebot tatsächlich erschlossenen wird,
richtet sich vor allem nach der Höhe der Nachfrage.
Die Parameter, die das natürliche Potenzial der erneuerbaren Energien bestimmen,
unterliegen physikalischen Gesetzmäßigkeiten, die vom Menschen nicht bzw. nur im
geringen Maße bewusst verändert werden können. Der Klimawandel und die dadurch
hervorgerufenen Veränderungen der Umweltbedingungen sind laut derzeitigem Wissenstand
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
11
zwar zum größten Teil die Folge menschlichen Handelns, sie entziehen sich jedoch
vollkommen der menschlichen Kontrolle. Die Veränderung von Umweltbedingungen bzw.
-parametern kann sich direkt auf das natürliche Potenzial der erneuerbaren Energien
auswirken. Aber auch indirekt kann der Klimawandel die Nutzung der Erneuerbaren
beeinflussen. Um sich an unvermeidbare Veränderungen anpassen zu können, ist es wichtig
zu wissen in wie weit der Klimawandel Auswirkungen auf die Potenzialparameter der
erneuerbaren Energien und damit auf ihre Nutzungsmöglichkeiten haben wird.
Abbildung 2: Einfluss- bzw. Restriktionsbereiche bei der Nutzung erneuerbarer Energien
Zielstellung in der Bearbeitung des Fokusthemas Erneuerbare Energien ist es, die
Auswirkungen veränderter Umweltbedingungen (Klimawandel) auf die Potenziale einiger
erneuerbaren Energieformen (Geothermie, Photovoltaik, Windenergie, Biogas) und damit auf
die Möglichkeiten ihrer Nutzung zu prognostizieren und ggf. erforderlich werdende
strategische Anpassungsempfehlungen zu erarbeiten. Besonderes Augenmerk soll dabei auf
die Erzielung von Synergieeffekten bei möglichen Kombinationen der Nutzung Erneuerbarer
Energien mit technischen Anlagen aus thematisch völlig anderen Bereichen gelegt werden.
Durch das Aufzeigen der zu erwartenden Auswirkungen des Klimawandels auf die
Erneuerbaren Energienutzungen wird es Planern und Entwicklern in der Region ermöglicht,
die Ergebnisse gerade bei langfristigen Planungsleistungen in ihre Planungen mit
einzubeziehen bzw. eigene Strategien daraus abzuleiten. Dies betrifft nicht nur den Bereich
der Erneuerbaren Energien. Ziel ist es, auch Planern und Projektentwicklern aus regional
sehr typischen Wirtschaftszweigen, wie z.B. dem Küstenschutz oder maritimen Tourismus
die Möglichkeit aufzuzeigen, wie durch eine innovative Herangehensweise die Nutzung der
Erneuerbaren Energien von vornherein mit in die Projektplanungen (wie z.B.
Küstenschutzanlagen bzw. touristischen Einrichtungen) einbezogen werden können. Hierfür
wird insbesondere das Anwendungsprojekt zur Nutzung von Geothermie bei der Planung
von Küstenschutzanlagen unter Einbeziehung von touristischen Einrichtungen initiiert und
dabei regionale Planer als Dritte mit einbezogen.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
12
1 Einleitung
Mit der in 2011 beschlossenen Energiewende in Deutschland wurde auch der beschleunigte
Ausbau der erneuerbaren Energien vereinbart. Bis zum Jahr 2050 soll die Stromerzeugung
von rund 80% aus fossiler Energie und Kernenergie auf 80% aus erneuerbaren Energien
steigen. Im Jahr 2011 konnten 20% des gesamtdeutschen Stromverbrauchs aus
erneuerbaren Energiequellen regeneriert werden. Zum aktuellen Zeitpunkt (Juni 2012) wird
der Strombedarf in Deutschland bereits zu 25% aus erneuerbaren Energien gedeckt. [BDEW
26.06.12]
Anteile erneuerbarer Energien am gesamten
Endenergieverbrauch in den Jahren 2010 und 2011
3,4 3,2
6,27,6
5,5
6,1
9,5 9,5
5,65,8
1,9
3,1
0,4 0,40,50,4
0
5
10
15
20
25
2010 (17,1 %) 2011 (20,0 %) 2010 (10,2 %) 2011 (10,4 %) 2010 (5,8 %) 2011 (5,6 %)
Strom * Wärme * Kraftstoff
An
teil
e i
n [
%]
Wasserkraft Windenergie
Biomasse Biokraftstoffe
Photovoltaik Solarthermie
Geothermie
* Biomasse: Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; aufgrund geringer Strommengen ist die Tiefengeothermie nicht dargestellt; Abweichungen in den
Summen durch Rundungen; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Hintergrundbild: BMU / Dieter Böhme; Stand: März 2012; Angaben vorläufig
Abbildung 3: Anteile der erneuerbaren Energien u.a. am gesamten Stromverbrauch Deutschlands in den Jahren 2010 und 2011 [BMU 2012a]
Im Jahr 2011 betrug der Gesamtstromverbrauch in Deutschland ca. 609,7 TWh. Der Anteil,
der durch die Photovoltaik geleistet wurde, betrug 3,1% (s. Abbildung 3). Gegenüber zum
Vorjahr (1,9% in 2011) konnte die Solarstromerzeugung um 61% gesteigert werden.
Zuwachsraten in der Solarstromerzeugung von durchschnittlich 50-60% sind seit den Jahren
2008/2009 zu beobachten (s. Abbildung 4). Aktuelle Daten zeigen, dass auch im Jahr 2012
mit einer so hohen Steigerung der solaren Stromproduktion zu rechnen ist. Bis zum Juni
2012 konnte die Photovoltaik ihren Beitrag bereits um 47% im Vergleich zum
Vorjahreszeitraum steigern und liegt derzeit bei 5,3%. [BDEW 26.06.12]
Eine hohe gesellschaftspolitische Akzeptanz und relativ stabile politische
Rahmenbedingungen konnten den enormen Zubau der in Deutschland installierten
Photovoltaik-Leistung in den letzten Jahren ermöglichen. Eine herausragende Bedeutung
hatte dabei das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) bzw. dessen 1. Novelle vom August
2004 mit der Einführung der EEG-Vergütung für Photovoltaik-Anlage.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
13
Entwicklung der Strombereitstellung und installierten
Leistung von Photovoltaikanlagen in Deutschland
19
.00
0
11
.68
3
6.5
83
4.4
20
31
3 55
6 1.2
82
2.2
20
3.0
75
1 2 3 6 8 11
16
26
32
42
64
76 16
2
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
20.000
22.000
24.000
26.000
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
[MW
p ]
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
20.000
22.000
24.000
26.000
[GW
h]
Energiebereitstellung [GWh]
installierte Leistung [MWp]
Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); 1 GWh = 1 Mio. kWh; 1 MW = 1 Mio. Watt;
Hintergrundbild: BMU / Bernd Müller; Stand: März 2012; Angaben vorläufig
24.820 MWp
Abbildung 4: Entwicklung der Strombereitstellung und installierten Leistung von Photovoltaik-Anlage in Deutschland 1990-2011 [BMU 2012a]
Die Investitionskosten für Solarstromanlagen haben sich in den letzten drei Jahren mehr als
halbiert. [BSW 04.07.12] Die Gestehungskosten für Solarstrom waren mit 0,20 €/kWh
[Fraunhofer 2012a] bereits im Jahr 2011 günstiger als die herkömmlichen Stromkosten für
private Haushalte mit durchschnittlich 0,25 €/kWh. [BMWi 2012] Unter der Voraussetzung,
dass sich die bisherige Entwicklung auch zukünftig fortsetzt, wird sich die Photovoltaik als
tragende Säule der zukünftigen Energieversorgung etablieren.
Hinsichtlich der Reduzierung der CO2-Emissionen ist die Photovoltaik als alternative,
erneuerbare Energie von besonderer Bedeutung. Die Nutzung von Solarstrom statt
herkömmlich produzierten Stroms trägt zur Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen
und damit zur Minderung der Folgen des Klimawandels bei. Die Nutzung der Photovoltaik
hat also Auswirkungen auf den Klimawandel.
Andersherum könnte der Klimawandel aber auch die Nutzung der Photovoltaik beeinflussen.
Wie sich die Potenziale der Photovoltaik unter dem Einfluss des Klimawandels entwickeln,
soll hier näher betrachtet werden. Der vorliegende Bericht befasst sich mit der Analyse und
Prognose der Potenziale der Photovoltaik an der deutschen Ostseeküste. Dabei wurde
folgende Vorgehensweise gewählt.
1. Erläuterungen zur Photovoltaik und ihren Potenzialparametern
2. Betrachtung des Klimas und des Klimawandels an der deutschen Ostseeküste
3. Ermittlung eventueller Veränderungen der Potenzialparameter durch den Klimawandel
und Schlussfolgerung der Entwicklungsperspektiven der solaren Stromerzeugung
aufgrund veränderter Potenzialparameter
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
14
2 Photovoltaik
Als Photovoltaik wird der Zweig der Energietechnik bezeichnet, der sich mit der Umwandlung
von solarer Strahlungsenergie (Photonen) in elektrische Energie beschäftigt.
Mit der Nutzung der Photovoltaik als erneuerbare Energiequelle werden viele positive
Aspekte assoziiert. So stellt die Sonne eine für den Menschen unerschöpfliche Energiequelle
dar. Die Strahlungsenergie der Sonne ist ein sogenanntes freies Gut, das heißt, sie steht
jedem jederzeit kostenfrei zur Verfügung. Allerdings ist sie auch eine fluktuierende Energie,
die stark von meteorologischen Bedingungen abhängig ist.
Bei der Umwandlung der solaren Strahlungsenergie (Photonen) in elektrische Energie
(Solarstrom) mithilfe von Solarzellen entstehen keine CO2-Emissionen oder sonstige klima-
oder umweltschädlichen Stoffe. Zudem macht die Nutzung der Photovoltaik als eine
erneuerbare Energiequelle unabhängig von fossilen Energieträgern und damit von
Energieimporten und fremdbestimmten Energiepreisen. Die Gestehungskosten für
Solarstrom werden zukünftig eher sinken. Dagegen werden die Kosten für Strom aus
fossilen Energieträgern aufgrund ihrer Knappheit mittelfristig rapide ansteigen. Die Investition
in eine Photovoltaik-Anlage ist noch relativ kostenintensiv. Da die Photovoltaik-Anlagen aber
stetig leistungsfähiger und günstiger werden, amortisieren sich in immer kürzeren
Zeitspannen. Zudem werden Photovoltaik-Anlagen derzeit noch für die Dauer von 20 Jahren
durch die EEG-Einspeisevergütungen finanziell unterstützt.
Die garantierte Lebensdauer für die Solarmodule beträgt derzeit durchschnittlich 25 Jahre.
Jedoch lässt die Leistung der Solarmodule mit der Zeit nach und beträgt nach 20 bis 25
Jahren nur noch etwa 80% der ursprünglichen Nennleistung. Obwohl die Photovoltaik-
Anlagen im regulären Betrieb relativ wartungsarm sind, stellt der Wechselrichter eine
Schwachstelle im Photovoltaik-Anlagensystem dar. Seine störungsfreie Funktionsdauer
beträgt durchschnittlich 10-14 Jahre. Dann muss er meist relativ kostenintensiv ausgetauscht
werden. Zur Absicherung von Schäden und Leistungsausfall infolge von Naturkatastrophen,
Diebstahl usw. gibt es auch für Photovoltaik-Anlagen eine Vielzahl von Versicherungen.
Last but not least bieten Solarmodule auch architektonische Gestaltungsmöglichkeiten. So
kann beispielsweise die Optik eines Hauses positiv verändert und können ästhetische
Akzente gesetzt werden. Dies ist in den meisten Fällen nur beim Neubau von Gebäuden
eine rentable Option. Zudem ist die Ästhetik von Photovoltaik-Anlagen vor allem eine Frage
des persönlichen Empfindens. Hierzu stehen häufig Solarparks bzw. sogenannte
Photovoltaik-Freiflächenanlagen in der Kritik das Landschaftsbild zu beeinträchtigen. Die
Photovoltaik ist aufgrund der relativ geringen Wirkungsgrade eine sehr raumgreifende
Technik zur Stromerzeugung. Dies ist vor allem der Fall, wenn Solarstrom in größeren
Mengen erzeugt werden soll.
Trotz allen möglichen Hindernissen gilt die Photovoltaik als technisch ausgereift und
wettbewerbsfähig. Sie ist als Technik zur Energieerzeugung in Deutschland etabliert, das
heißt, es gibt geregelte Genehmigungsverfahren, maßgeschneiderte Förderungs- und
Finanzierungsprogramme sowie ein breites und etabliertes Netzwerk an Herstellern,
Händlern, Installateuren und Servicedienstleistern. Ein vielfältiges Produktangebot stellt
sicher, dass die Potenziale der Solarenergie an jedem möglichen Photovoltaik-Anlagen -
Standort bestmöglich ausgeschöpft werden können.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
15
Extinktion (lat.: Schwächung)
ist ein Maß für die Abschwächung einer
Strahlung nach Durchqueren eines
Mediums. An der Abschwächung sind im
Allgemeinen die Prozesse Absorption,
Streuung, Beugung und Reflexion
beteiligt.
[nach DIN 1349]
2.1 Das natürliche Potenzial der Photovoltaik
Das natürliche Potenzial des Solarstroms schöpft sich aus der Strahlungsenergie der Sonne,
die auf die Erde trifft. Die Solarkonstante, also langjährig gemittelte extraterrestrische
Sonnenbestrahlungsstärke, die senkrecht auf den Querschnitt der Erde trifft, beträgt ca.
1.368 W/m². [DWD] Was von dieser Strahlung nach dem Durchgang durch die
Erdatmosphäre den Erdboden erreicht (Globalstrahlung), kann für die solare
Stromerzeugung genutzt werden.
2.1.1 Globalstrahlung
Die Globalstrahlung gilt als wichtigster Einflussfaktor für die Erzeugung von Solarstrom. Als
Globalstrahlung wird die gesamte auf eine waagerechte Fläche bestimmter Größe (meist
1 m²) auftreffende Sonnenstrahlung definiert. [DWD] Sie setzt sich zusammen aus der
direkten, diffusen und reflektierten Sonneneinstrahlung.
Abbildung 5: Zusammensetzung der Globalstrahlung aus direkter, diffuser und reflektierter Strahlung
Die Intensität der Globalstrahlung hängt von verschiedenen Faktoren ab. Eine
Abschwächung (Extinktion) der Strahlung erfolgt bereits auf dem Weg durch die Atmosphäre
durch Reflexion, Streuung und Absorption an den Luftmolekülen, Ozon, Wasserdampf oder
anderen atmosphärischen Spurengasen. Auch Luftverschmutzung meist in Form von Rauch
und Staub u.a. aus Industrie und Verkehr hält Strahlung beim Durchgang durch die
Atmosphäre auf. Mit zunehmender Nähe zur Erdoberfläche steigen die Luftdichte und damit
auch der Grad der Strahlungsminderung. Umgekehrt heißt das, dass mit zunehmender
Höhenlage eines Standortes über dem Meeresspiegel auch die Globalstrahlung an diesem
Ort steigt. Der Strahlungsverlust beim Durchgang durch die Erdatmosphäre kann bis zu 30%
betragen.
Wesentlichen Einfluss auf die Höhe der Globalstrahlung hat der tägliche sowie saisonale
Sonnenstand bzw. Sonnenlauf, der je nach geografischer Lage eines Standortes in
Verbindung mit der Erdrotation um die Sonne sowie um die eigene Achse variiert. Je höher
und länger die Sonne am Himmel über einem Standort steht, desto höher fällt an diesem Ort
das solare Strahlungsangebot aus. Die höchsten Einstrahlungswerte werden am Äquator
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
16
erreicht, wo die Sonneneinstrahlung um die Mittagszeit senkrecht auf die Erdoberfläche
auftrifft. In der Sahara, in Äquatornähe, werden aufgrund der überwiegend senkrechten und
ganzjährig relativ konstanten Sonneneinstrahlung Werte zwischen 2.200 bis 2.800 kWh/a,
also 250 bis 320 W/m² erreicht. [DLR 2010]
In Deutschland, beträgt die eingestrahlte Energiemenge pro Jahr und Quadratmeter
durchschnittlich nur 900 bis 1.200 kWh (ca. 100 bis 135 W/m²) Das liegt u.a. daran, dass
durch die geografische Lage Deutschlands die Sonne nicht im rechten Winkel einstrahlt.
Aufgrund der Krümmung der Erdkugel steht die sommerliche Mittagssonne 60° bis 65° hoch
und strahlt bei idealen Wetterbedingungen mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 700 W/m².
Im Winter sind es nur 13° bis 18° und maximal 247 W/m². Die saisonalen Schwankungen der
Globalstrahlung können das Fünf- bis Zehnfache betragen.
Unabhängig von der Jahreszeit können aber auch entsprechende Witterungsverhältnisse
starke Schwankungen der Strahlungswerte verursachen. Diese Schwankungen können sich
zudem sehr kurzfristig innerhalb von Stunden oder Tagen ergeben. Hierbei spielen vor allem
die Klimaparameter Bewölkungsgrad und Sonnenscheindauer. Der Deutsche Wetterdienst
definiert Sonnenscheindauer als die tatsächliche Dauer der direkten Sonnenstrahlung an
einem bestimmten Ort innerhalb eines definierten Zeitraumes. Das Norddeutsche Klimabüro
definiert sie als den stündlichen Wert, bei dem die direkte einfallende kurzwellige
Sonnenstrahlung 120 W/m² übersteigt. Wie Tabelle 1 jedoch zeigt, können auch bei
bedecktem Himmel noch Strahlungswerte von über 120 W/m² erreicht werden.
Die Anzahl der Sonnenstunden beträgt in Deutschland jährlich zwischen 1.300 bis 1.900
Stunden. Als bundesweites Gebietsmittel für 2010 ergab sich zum Beispiel eine
Sonnenscheindauer von 1538,2 Stunden. Das sind 9,8 Stunden oder 0,6 Prozent mehr als in
der Referenzperiode von 1960 bis 1990. [DWD]
Doch auch bei bedecktem Himmel gelangt solare Strahlung als sogenannte diffuse Strahlung
auf die Erdoberfläche. Je nach Bedeckungsgrad kann die Globalstrahlung dabei bis auf ca.
10% der Strahlungsleistung der Direktstrahlung zurückgehen. Von idealen 700 W/m² würden
demnach nur noch 70 W/m² übrig bleiben. Örtlich können zudem Smog (Luftverschmutzung),
Sandstürme, Vulkanausbrüche, Waldbrände etc. die Strahlungsleistung verringern. Tabelle 1
zeigt durchschnittliche Strahlungswerte für Deutschland abhängig von Bedeckungsgrad und
Jahreszeit.
Tabelle 1: Strahlungsleistung je nach Bedeckungsgrad
Bedeckungsgrad Strahlungsleistung in W/m²
Sommer Winter
Sonnenschein, klarer bis leicht diffuser Himmel
600 – 1.000 300 - 500
Sonnenschein bei leichter bis mittlerer Bewölkung
300 - 600 150 - 300
stark bewölkt bis nebelig-trüb 100 - 300 50 - 150
Quelle: zusammengestellt aus Daten von: http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenschein, Stand 08/2012
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
17
Wenn auch gering, kann das lokale Strahlungsangebot in Form von diffuser Strahlung durch
die Reflektionen von Oberflächen verstärkt werden. Der Reflexionsgrad des Bodens wird als
Albedo bezeichnet. Er wird bestimmt durch den Quotienten aus reflektierter zu einfallender
Lichtmenge und liegt zwischen 0 und 1. Ein Rückstrahlvermögen von Null entspricht einer
vollständigen Absorption und von Eins einer vollständigen Reflexion des einfallenden Lichts.
Vor allem glatte und helle Flächen, wie z.B. frisch gefallener Schnee haben einen hohen
Albedowert. Dieser Fakt kann beispielsweise bei der Standortplanung von Photovoltaik-
Anlagen als begünstigender Effekt beachtet werden. Umgekehrt ist bei der Standortplanung
auf große schattenwerfende Elemente in der naheliegenden Landschaft wie etwa
Geländeerhebungen, Vegetation oder Bebauung zu achten. Je nach Höhe der Elemente
sowie Sonnenstand können große Schatten das lokale Strahlungsangebot enorm mindern.
Parameter des natürlichen Potenzials der Photovoltaik
Die Globalstrahlung ist der wichtigste Parameter des natürlichen Potenzials der Photovoltaik. Die Intensität der Globalstrahlung wird durch folgende Parameter beeinflusst:
Zusammensetzung der Erdatmosphäre
geografische Lage (Sonnenstand)
Bewölkung bzw. Sonnenscheindauer
Standorteigenschaften (Albedo, schattenspendende Landschaftselemente)
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
18
Bestandteile einer PV-Anlage:
Solarmodule
Gleichstrom-Hauptschaltung
Netzeinspeisegerät
Einspeise- und Bezugszähler
Eigenverbrauch
Einspeisung ins öffentliche
Netz
2.2 Das technische Potenzial der Photovoltaik
Das technische Potenzial der Photovoltaik ist der Anteil des natürlichen Potenzials, der unter
Berücksichtigung der Grenzen der Nutzungstechnologien sowie infrastruktureller und
ökologischer Restriktionen tatsächlich nutzbar gemacht werden kann.
2.2.1 Technik
Solarstrom wird mithilfe von Photovoltaik-Anlagen erzeugt. Die wichtigsten Komponenten
einer Photovoltaik-Anlage sind der Solargenerator und das Netzeinspeisegerät (NEG),
welches umgangssprachlich auch Wechselrichter genannt wird. Weitere Komponenten sind
z.B. der Einspeisezähler, der Strombezugszähler bei Eigenverbrauch, Akkumulatoren bei
Inselanlagen, Verkabelung und Montagegestell der Solarmodule.
Abbildung 6: Aufbauprinzip einer Photovoltaik-Anlage
Das Netzeinspeisegerät wandelt den in den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in
Wechselstrom um. Zudem regelt das NEG Strom und Spannung so, dass die Photovoltaik-
Anlage eine höchstmögliche Leistung ausgibt. Dafür stellt das Gerät schnell und genau den
Arbeitspunkt auf der Stromspannungskennline des Modulstrings ein. Eine weitere Aufgabe
des NEG ist das Überwachen des Netzanschlusses. Bei Ausfall des öffentlichen
Stromnetzes schaltet es sekundenbruchteilschnell die Solarstromanlage aus
Sicherheitsgründen ab. Das NEG erfasst und speichert Betriebsdaten und Fehlermeldungen
und macht diese Daten über ein Display sichtbar. Je nach Ausführung hat ein NEG einen
Wirkungsgrad von 90 bis zu 98%. Jede Photovoltaik-Anlage hat mindestens ein, je nach
Modulanzahl, Anlagenleistung, Konfiguration und benötigten Wechselrichtertyp auch
mehrere NEG installiert. [Solaranlagen-Portal 2012]
Das Kernstück einer Photovoltaik-Anlage sind die Solarzellen. Solarzellen bestehen aus zwei
Halbleiterschichten, meist aus Silizium, zwischen denen durch Einwirkung von Sonnenlicht
eine elektrische Spannung entsteht (photovoltaischer Effekt). Mehrere Solarzellen werden in
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
19
Reihe oder parallel zu Modulen zusammengeschlossen, die einerseits in oder an
Gebäudehüllen installiert oder als freistehende Anlagen aufgestellt werden können. Mehrere
zusammengeschlossene Module werden als Solargenerator bezeichnet.
Aktuell beherrschen zwei gängige Typen von Solarzellen den Photovoltaik-Markt. Kristalline
Solarzellen und amorphe Solarzellen, welche auch als Dünnschichtzellen bezeichnet
werden. Beide Zellentypen werden aus Silizium hergestellt. Kristalline Solarzellen werden je
nach Herstellungsverfahren weiter in monokristalline und polykristalline Solarzellen
unterschieden. Monokristalline Solarzellen haben eine ebene, glatte Oberfläche und sind von
der Farbe sehr dunkel bis schwarz. Diese Eigenschaften rühren von der ebenmäßigen
Anordnung ihrer Atome her. Die Herstellung der monokristallinen Solarzellen ist sehr
energieaufwendig, weshalb sie teurer als die polykristallinen Solarzellen sind. Der
Wirkungsgrad der monokristallinen Solarzellen ist jedoch mit 14 bis 18% höher als der der
polykristallinen Solarzellen (12 bis 16%). Die Oberfläche der polykristallinen Solarzellen ist
von einem intensiven Blau und dem typischen Glitzern der relativ großen Silizium-Kristalle
gekennzeichnet. Dieses Aussehen birgt jedoch den Nachteil, dass Module mit diesen
Solarzellen wegen der helleren Oberflächen eine geringere Energieausbeute besitzen.
Dünnschichtzellen sind – wie der Name impliziert – ca. 100-fach dünner als herkömmliche
kristalline Solarzellen. Grund dafür ist das Produktionsverfahren, indem das
Halbleitermaterial Silizium oder andere Beschichtungsmaterialien wie Cadmiumtellurid
(CDTe) oder Kupferindiumdiselenid (CIS) in einer dünnen Schicht auf das Trägermaterial (z.
B. Glas) aufgedampft oder aufgesprüht wird. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm.
Diese Herstellungsweise ist günstiger als die der kristallinen Soarzellen, da hier ein
geringerer Siliziumbedarf besteht. Zudem sind Dünnschichtzellen flexibel einsetzbar, da sich
durch Einsatz von Kunststoff z.B. biegsame Solarmodule herstellen lassen. Der
Wirkungsgrad von Dünnschichtzellen ist niedriger als der von kristallinen Solarzellen und
liegt derzeit durchschnittlich bei 10%.
Tabelle 2: Wirkungsgrade unterschiedlicher Solarzellentypen
Baumaterial der Solarzelle Zellwirkungsgrad
monokristallines Silizium Ø 14 - 18 %
polykristallines Silizium Ø 12 - 16 %
amorphes Silizium Ø 10 %
Quelle: zusammengestellt aus Daten von www.solaranlagen-portal.de
Die optimale Leistung eines Solarmodules unter genormten Testbedingungen (1000 W/m²
Einstrahlung, 25°C Modultemperatur, 1,5 Air Mass) wird in Watt peak (Wp) oder Kilowatt
peak (kWp) angegeben. Peak (engl.: Spitze) deutet dabei auf die Spitzenleistung bzw. die
theoretisch höchstmögliche Leistung einer Photovoltaik-Anlage. Abhängig vom
Wirkungsgrad einer Solarzelle kann grob die zur Erzeugung von einem Kilowatt peak
notwendige Modulfläche berechnet werden. Ein Modul mit einem Zellwirkungsgrad von 10%
benötigt unter Einhaltung der Testbedingungen eine 1 m² große Fläche für die Erzeugung
von 100 Wp Solarstrom.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
20
Verschiedene Faktoren können den Zellwirkungsgrad beeinträchtigen. So verringert er sich
beispielsweise mit zunehmenden Temperaturen über 25°C. Allgemein kann man ca. 0,5%
Leistungsminderung pro Grad Celsius angeben. Erhöht sich die Temperatur eines
Solarmoduls von den (laut Testbedingungen) vorgesehenen 25°C z.B. auf 55°C, sinkt die
Modulleistung um ca. 15% Wird die Zelle / das Solarmodul durch eine gute Belüftung
gekühlt, kann man diese Verluste um gut 5% verringern. [Solaranlagen-Portal 2012]
Ertragsmindernd wirkt sich auch eine Verschattung der Solarzellen bzw. –module aus, da
sich die verschatteten Teile der Solarmodule dann als Widerstand im Stromkreis verhalten.
Eine Lösung dieses Problems kann durch sogenannte Bypass-Dioden erfolgen, die den
Strom an dem abgeschatteten Modul vorbeileiten. Verschattungen entstehen durch
Ablagerungen von Laub, Schnee, Staub oder Vogelkot auf den Solarmodulen, aber auch
durch schattenwerfende Objekte in der näheren Umgebung, wie z.B. hohe Bäume,
Gebäude, Antennenmasten etc. Der Aufstellungsort einer Photovoltaik-Anlage befindet sich
demnach idealerweise nicht in einer baumreichen Landschaft und nicht in der Nähe von
intensiven Staubquellen. Bei Verschmutzungen durch Laub, Ruß oder Staub trägt eine
Modulneigung ab 25° zur Selbstreinigung des Solarmoduls bei.
Der Aufstellwinkel von Solarmodulen richtet sich im Allgemeinen nach dem Einfallswinkel der
Solarstrahlung. Um sie bestmöglich ausnutzen zu können, sollte sie senkrecht auf das
Solarmodul auftreffen. In Mitteleuropa bzw. in Norddeutschland ist der Einstrahlungswinkel
der Sonne aufgrund der geografischen Lage entsprechend niedrig (ca. 20° im Winter und 60°
im Sommer). Optimal sind eine Süd-Ausrichtung der Solarmodule mit einer maximalen
Abweichung von je 30° nach Westen oder Osten, sowie ein Neigungswinkel zwischen 30°
und 40°. Unter dieser Ausrichtung erhöht sich die Einstrahlungssumme auf die Modulebene
bis zu 15%, bezogen auf die horizontale Einstrahlungssumme. [Fraunhofer 2012b] Noch
besser im Energieertrag sind dem Sonnenverlauf nachgeführte Photovoltaik-Anlagen. Hier
kann der Mehrertrag gegenüber fest installierten Anlagen nach Herstellerangaben bis zu
30% betragen. [mp-tec 2012]
Der tatsächliche Energieertrag einer Photovoltaik-Anlage entspricht, infolge der potenziellen
Ertragsverluste aus den oben genannten Gründen sowie durch Verluste durch
Leitungswiderstände und durch den Wechselrichter, nicht den Ertragswerten, die die
Solarmodule unter optimalen Bedingungen erreicht werden können. Das Verhältnis zwischen
dem tatsächlichen Energieertrag der gesamten Photovoltaik-Anlage zum theoretisch
möglichen Energieertrag wird mit der Performance Ratio PR dargestellt. Die PR
leistungsfähiger, fabrikneuer Photovoltaik-Anlage liegt derzeit bei einem Wert von 0,8 bis 0,9
bzw. 80-90%. [Fraunhofer 2012b]
Über die Jahre sinkend bei jeder Photovoltaik-Anlage der Wirkungsgrad, die Performance
Ratio und damit auch der Stromertrag ab. Photovoltaik-Anlagen sind für eine Lebensdauer
von mindestens 20 Jahren konzipiert. Auch unter optimalen Betriebsbedingungen
unterliegen die auf diese Dauer allgemeinen Verschleiß- bzw. Alterungserscheinungen wie
z.B. die Korrosion des Schutzglases, Moosbildung auf der Moduloberfläche oder
Zellkorrosion aufgrund eindringender Feuchtigkeit. Diese Alterung (Degradation) ist
materialabhängig und variiert je nach Modultyp. Die stärkste Degradation erfahren die
Solarmodule zu Beginn ihrer Betriebszeit. Werte zwischen 2% (kristalline Solarzellen) bis zu
15% (Dünnschicht-Module) sind möglich. Nach dieser anfänglichen ca. ein bis zwei Jahre
dauernden Leistungsabnahme beträgt die jährliche Degradation nur noch ca. 0,2 – 0,25%.
[DCTI 2012]
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
21
2.2.2 Rechtliche Rahmenbedingungen
Photovoltaik-Anlagen sind bauliche Anlagen im Sinne des Baurechts und bedürfen in der
Regel einer Baugenehmigung nach den jeweiligen Landes-Bauordnungen. Laut der
Landesbauverordnung Mecklenburg-Vorpommerns sind Anlagen der technischen
Gebäudeausrüstung wie Solarenergieanlagen und Sonnenkollektoren in und an Dach- und
Außenwandflächen sowie gebäudeunabhängig mit einer Höhe bis zu 3 m und einer
Gesamtlänge bis zu 9 m verfahrensfrei. [LBauVO M-V §61] So verhält es sich in den meisten
Bundesländern. Genehmigungsfrei heißt dabei, dass das Bauvorhaben nicht von einer
Behörde auf seine baurechtliche Zulässigkeit überprüft wird. Der Bauherr ist für die
Einhaltung der baurechtlichen Vorschriften (z.B. Standsicherheit, Brandschutz etc.) selber
verantwortlich.
Weicht die Solaranlage in Form, Größe, Standort, Beschaffenheit von den baurechtlichen
Normen ab, kann es sein, dass die Anlage genehmigt werden muss. Dies ist vom jeweiligen
Bundesland abhängig und sollte beim zuständigen Bauamt nachgefragt werden. Die
Installation auf bzw. an unter Denkmalschutz bzw. in der Nähe von Denkmälern stehenden
Gebäuden (Ensembleschutz) ist beispielsweise in vielen Fällen verboten bzw. trifft auf
Ablehnung in der Bevölkerung. Teilweise kann aber, je nach den kommunalen
Gestaltungssatzungen und Bauvorschriften, eine Installation von Photovoltaik-Anlagen unter
Ergreifung besonderer Maßnahmen, z.B. die Vermeiden von der Dachhaut abgeneigter
Aufständerung, die Integration der Solaranlage in das Dach des Gebäudes, die Nutzung
farbiger Solarmodule oder aber Solardachziegel möglich.
Übersteigt die Größe einer geplanten Photovoltaik-Anlage die Möglichkeit einer Installation
in, an und auf Dach- und Außenwandflächen bzw. ist sie größer als die von den
Landesbauverordnungen vorgegebenen 3 m x 9 m und wird gebäudeunabhängig aufgestellt
so spricht man von einer sogenannten Freiflächenanlage.
Freiflächenanlagen dienen im Wesentlichen dazu möglichst viel energetischen und damit
finanziellen Ertrag zu erwirtschaften. Hierfür werden bestenfalls mehrere Hektar große
Flächen gesucht. Diese sind selten im bauplanungsrechtlichen Innenbereich, also innerhalb
bebauter Siedlungsgebiete zu finden. Grundsätzlich sind PV-Vorhaben im
planungsrechtlichen Außenbereich nur dann zulässig, wenn von ihnen keine
Beeinträchtigung öffentlicher Belange ausgeht. Eine Beeinträchtigung öffentlicher Belange
liegt laut §35 Abs.1 Nr.8 BauGB beispielsweise dann vor, wenn das Vorhaben
den Darstellungen des Flächennutzungsplans widerspricht,
den Darstellungen eines Landschaftsplans oder sonstigen Plans, insbesondere des
Wasser-, Abfall- oder Immissionsschutzrechts, widerspricht,
schädliche Umwelteinwirkungen hervorrufen kann oder ihnen ausgesetzt wird,
unwirtschaftliche Aufwendungen für Straßen oder andere Verkehrseinrichtungen, für
Anlagen der Versorgung oder Entsorgung, für die Sicherheit oder Gesundheit oder für
sonstige Aufgaben erfordert oder
Belange des Naturschutzes und der Landschaftspflege, des Bodenschutzes, des
Denkmalschutzes oder die natürliche Eigenart der Landschaft und ihren Erholungswert
beeinträchtigt oder das Orts- und Landschaftsbild verunstaltet.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
22
Durch die oft mehrere Hektar großen Photovoltaik-Freiflächenanlagen sind erhebliche
Auswirkungen auf die Schutzgüter Boden und Landschaftsbild zu erwarten. Aber auch auf
Pflanzen, Tiere und die biologische Vielfalt kann sich ein Solarpark, bei unsachgerechter
Standortplanung (z.B. Nutzung von Rastvogelgebieten) oder großflächiger Ausformung
erheblich auswirken. Konflikte mit den Schutzgütern Wasser, Klima und Mensch sind eher
gering und im Wesentlichen auf die Bauzeit beschränkt. Potenzielle Beeinträchtigungen für
Natur und Landschaft durch Photovoltaik-Freiflächenanlagen ergeben sich z.B. aus
folgenden Wirkfaktoren
Flächenverbrauch, -inanspruchnahme,
Barrierewirkung bzw. Zerschneidung von Lebensräumen,
visuelle Wirkung durch Lichtreflexionen bzw. Spiegelungen sowie
Veränderung des Mikroklimas durch Aufheizung der Module sowie Reduzierung des
auftreffenden Niederschlags unterhalb der Module.
Um nachhaltige Beeinträchtigungen der Umwelt zu vermeiden bzw. so gering wie möglich zu
halten, ist der zukünftige Anlagenstandort sorgfältig auszuwählen. Grundsätzlich sind
Flächen zu wählen, die eine hohe Vorbelastung und somit ein geringe Empfindlichkeit
gegenüber Eingriffen aufweisen. Als solche Vorbelastung kommen in Frage:
wesentliche Beeinträchtigung der Biotop-, Biotopverbund- und Habitatfunktion (z.B.
durch Lärm),
starke Belastung der Bodenfunktion (z.B. durch Versiegelung, Bodenverdichtung oder
Kontamination),
erheblich verfremdetes Landschaftsbild durch Bebauung oder andere technische
Objekte wie Verkehrswege.
Flächen mit einem geringem Konfliktpotenzial (Beispiel siehe Tabelle 3) werden als
Eignungsbereiche für Photovoltaik-Freiflächenanlagen bezeichnet.
Tabelle 3: Eignungsbereich bzw. Flächen mit geringem Konfliktpotenzial
Lage der Flächen Eignungsbereich
im Innenbereich
Siedlungsbrachen (sofern nicht für höherrangige Nutzungen im Zuge der Innenentwicklung nutzbar)
versiegelte Flächen (z.B. Stellplätze), gesicherte Altlasten
Gewerbe- und Industriegebiete
im Außenbereich
Standorte, die eine Vorbelastung mit großflächigen technischen Einrichtungen im räumlichen Zusammenhang aufweisen
Pufferzonen entlang großer Verkehrstrassen, Lärmschutzeinrichtungen
Abfalldeponien und Halden
Konversionsflächen mit hohem Versiegelungsgrad ohne besondere ökologische oder ästhetische Funktion
sonstige brachliegende ehemals baulich genutzte Flächen
Quelle: [BMU 2007]
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
23
Damit die Solarenergie flächensparend sowie natur- und landschaftsverträglich genutzt wird,
wurden u.a. in Mecklenburg-Vorpommern raumplanerische Grundsätze für die Planung von
PV-Vorhaben erarbeitet. [PV-M-V 2010] Es gilt z.B., dass Photovoltaik-Anlagen vorrangig an
bzw. auf vorhandenen Gebäuden und baulichen Anlagen errichtet werden sollen.
Photovoltaik-Freiflächenanlagen sollen insbesondere auf bereits versiegelten oder
geeigneten wirtschaftlichen oder militärischen Konversionsflächen errichtet werden.
Diese Grundsätze werden durch den Gesetzgeber auch mithilfe finanzieller Anreize (EEG-
Vergütung) unterstützt. Abgesehen von der grundsätzlich zu bevorzugenden Nutzung von
Dachflächen, Fassaden oder anderen baulichen Anlagen sieht das EEG eine
Einspeisevergütung nur für Photovoltaik-Freiflächenanlagen vor, die
auf Konversionsflächen aus wirtschaftlicher, verkehrlicher, wohnungsbaulicher oder
militärischer Nutzung,
entlang von Autobahnen und Schienenwegen sowie
in einem spätestens seit dem 01.01.2010 ausgewiesenen Gewerbe- oder Industriegebiet
installiert wurden.
Zusätzlich zur Vorgabe von Standortprioritäten für die Errichtung und den Betrieb von
Photovoltaik-Anlagen, werden vom Gesetzgeber bedeutende Flächen von dieser Nutzung
ausgeschlossen. Folgende Gebiete gelten u.a. in Mecklenburg-Vorpommern als
Ausschlussgebiete für Photovoltaik-Freiflächenanlagen
Vorranggebiete laut LEP oder RREP, z.B. Windeignungsgebiete, landesweit und
regional bedeutsame gewerbliche und industrielle Großstandorte,
Tourismusschwerpunkträume außerhalb bebauter Ortslagen,
nach Wasserhaushaltsgesetz (WHG) festgesetzte oder vorläufig gesicherte
Überschwemmungsgebiete,
Flächen zum Schutz bestimmter Teile von Natur und Landschaft (Naturmonumente,
Natura 2000 Gebiete, Naturschutzgebiete),
Wald im Sinne des Landeswaldgesetzes (LWaldG) einschl. der Waldabstandsflächen.
Im Einzelfall zu prüfen ob eine Photovoltaik-Freiflächenanlage keine erheblichen
Beeinträchtigungen für Natur und Landschaft verursacht und damit zulässig wäre, sind
folgende Gebiete
Vorbehaltsgebiete nach LEP und RREP,
Flächen mit hohem Landschaftsbildpotential (Stufe 4),
unzerschnittene Freiräume (Stufe 4),
landwirtschaftliche Flächen mit über 20 Bodenpunkten,
hochwassergefährdete Bereiche einschl. hochwassergefährdete Küstenschutzgebiete,
Flächen zum Schutz bestimmter Teile von Natur und Landschaft
(Landschaftsschutzgebiete, gesetzlich geschützte Biotope, Flächen mit Bedeutung für
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
24
den gesetzlichen Artenschutz, Naturdenkmäler und Geschützte
Landschaftsbestandteile) sowie
Flächen, deren Bebauung zu einer möglichen Beeinträchtigung der Belange des
Denkmalschutzes (Bodendenkmale, historische Parkanlagen/Gärten) führen kann.
Die Photovoltaik-Technologien sind bereits jetzt ausgereift und können einen beträchtlichen
Anteil der weltweiten Stromversorgung liefern. Sie bieten ein vielfältiges und breitgefächertes
Spektrum an Formen und Einsatzgebieten. Vom Parkscheinautomat über vollständig
eingedeckte Hausdächer und Fassaden bis hin zu mehreren Hektar großen Solarparks
können Photovoltaik-Anlagen theoretisch überall montiert werden. Die Standortwahl von
Photovoltaik-Anlagen erfolgt jedoch unter Berücksichtigung verschiedener Kriterien.
Zum einen muss ein potenzieller Standort einen effizienten Betrieb und damit eine gute
Wirtschaftlichkeit der Anlagen garantieren. So sind z.B. flache Landschaften mit niedrig
wachsender Vegetation bzw. ohne hohe Bebauung ideal für den Betrieb von Photovoltaik-
Anlagen. Zum anderen sind bei der Standortwahl raumplanerische und naturschutzrechtliche
Kriterien zu berücksichtigen. Hier gilt es den sehr raumgreifenden Photovoltaik-Ausbau
zuerst auf Flächen zu lenken, die keine hohe Bedeutung für den Naturschutz oder für die
regionale Wirtschaft besitzen.
Parameter des technischen Potenzials der Photovoltaik
Das technisch nutzbare Potenzial der Geothermie wird vor allem von folgenden Parametern beeinflusst:
Leistungsfähigkeit der technischen Anlagen (Wirkungsgrad, Performance Ratio), abhängig von
eingesetzte Modultechnologie (kristallin, amorph)
Modulausrichtung
Degradation
Lufttemperatur
Bewölkung
energiewirtschaftliche Standortplanung
an Gebäuden, auf Freiland
nutzbare Flächen abzgl. Verschattung
rechtliche Standortplanung
Bundesbaugesetz (BauG), Landesbaugesetze (LBauG)
Raumordnungsgesetz (ROG)
Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG)
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
25
2.3 Das wirtschaftliche Potenzial der Photovoltaik
Wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit bzw. auf das wirtschaftliche Potenzial von
Photovoltaik-Anlagen haben die Kosten und Einnahmen, die durch Errichtung und Betrieb
der Anlage entstehen. Wenn die laufenden Kosten, die eine Photovoltaik-Anlage verursacht,
niedriger als die durch sie erzielten Einnahmen sind, spricht man von einem rentablen
Betrieb der Anlage.
Sobald die Investitionskosten einer Photovoltaik-Anlage durch die durch sie entstehenden
Einnahmen gedeckt wurden, spricht man davon, dass sich die Anlage finanziell amortisiert
hat. Neben der finanziellen gibt es aber auch die energetische Amortisationszeit. Das ist die
Dauer, die die Photovoltaik-Anlage benötigt, um genauso viel Energie abzugeben, wie bei
ihrem Bau benötigt wurde. Durchschnittlich beträgt die energetische Amortisation einer
gesamten Solaranlage mit all ihren Komponenten, je nach Technologie und Standort in
Deutschland zwischen rund drei und sechs Jahren.
Die Rentabilität [%] ist eine wichtige Kennzahl für die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaik-
Anlage. Um die Wirtschaftlichkeit bzw. die Wettbewerbsfähigkeit von Photovoltaik mit
anderen Stromerzeugungsarten vergleichen zu können, wird der Begriff der
Stromgestehungskosten verwendet. Als Stromgestehungskosten werden die Kosten
bezeichnet, welche für die Energieumwandlung von einer anderen Energieform in
elektrischen Strom notwendig sind. Sie werden in der Regel in Euro je Megawattstunde
[€/MWh] angegeben.
Eine Photovoltaik-Anlage rentiert sich für den Betreiber, wenn die Stromgestehungskosten
für den durch die Anlage produzierten Solarstrom geringer sind als
1. die EEG-Vergütung, die er dafür bekommen würde oder
2. die Preise, die er für herkömmlichen Strom zahlen müsste.
Bei Eigenverbrauch spart der Betreiber dann die Differenz. Zusätzlich bekommen seit
Anfang 2010 Betreiber einer Photovoltaik-Anlage für den Eigenverbrauch oder den
Verbrauch durch Dritte in unmittelbarer räumlicher Nähe eine EEG-
Eigenverbrauchsvergütung. Diese Regelung wird ab dem 01.01.2014 entfallen. [BMU 2012b]
Welche Form der Vergütung die rentabelste ist, variiert von Fall zu Fall. So kann der
Eigenverbrauch von Vorteil sein, wenn einerseits der Preis für den herkömmlichen
Haushaltsstrom und andererseits der eigene Strombedarf relativ hoch ist. Bei geringem
Eigenbedarf und moderaten Preisen für den Haushaltsstrom bietet die Volleispeisung einen
größeren finanziellen Vorteil.
Die Höhe der Stromgestehungskosten ist abhängig von den Kosten für die Photovoltaik-
Anlage sowie vom erbrachten Stromertrag, welcher wiederrum von der Leistungsfähigkeit
der Anlagen und den projektspezifischen Standortbedingungen abhängt. Je höher der
Stromertrag und je niedriger die Kosten sind, desto geringer fallen die
Stromgestehungskosten aus. Auch die Dauer der finanziellen Amortisation hängt von diesen
Faktoren ab. Hier gilt je höher der Gewinn durch den Stromertrag und je niedriger die Kosten
für die Anlage sind, desto kürzer dauert die Amortisationszeit.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
26
2.3.1 Kosten
Die Investitionskosten einer Photovoltaik-Anlage hängen von vielen Faktoren wie eingesetzte
Modultechnologie, Anlagenart, statische Maßnahmen usw. ab. Hauptsächlich richten sie sich
aber nach der Qualität und Leistungsstärke der Anlagen. Je kWp installierter Leistung
beträgt der Endkundenpreis derzeit durchschnittlich 1.776 € (s. Abbildung 7). Der
Endkundenpreis pro kWp beinhaltet eine schlüsselfertige Photovoltaik-Anlage inklusive
Module, Wechselrichter, Montagegestell, elektrische Verkabelung, Planung und Installation.
Abbildung 7: Entwicklung Endkundenpreis für Photovoltaik-Anlage 2006 bis 2012 [BSW]
Die jährlichen Nebenkosten für Photovoltaik-Anlage ergeben sich hauptsächlich aus den
anfallenden Kosten für Wartung und Instandhaltung, Reparaturen, Versicherungszahlungen
Finanzierungskosten, Steuern usw.. Für eine Betriebsdauer von 20 Jahren hochgerechnet,
belaufen sich die jährlichen Neben- bzw. Betriebskosten auf ca. 1,3 – 1,5% der gesamten
Investitionskosten. [Fraunhofer 2012a]
Für einen reibungslosen Betrieb empfiehlt sich die regelmäßige Überprüfung der
Photovoltaik-Anlage durch einen Wartungsfachmann. Dennoch kann es bei Photovoltaik-
Anlage n, wie bei jeder anderen Technik, zu Betriebsausfällen kommen. So ist z.B. die
Störung oder der Ausfall des Wechselrichters eine Fehlerquelle bei einer Photovoltaik-
Anlage. Dieses Gerät reagiert sensibel auf Hitze, Staub oder Feuchtigkeit ebenso wie auf
Spannungs- oder Stromschwankungen aus dem eigenen Haushalt oder anderen
Störungsquellen wie zum Beispiel nahe gelegene Starkstromanlagen. Die durchschnittliche
Lebensdauer von Wechselrichtern beträgt rund10 bis 14 Jahre. Während der angestrebten
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
27
Betriebszeit der Photovoltaik-Anlage von 20 bis 25 Jahren ist also damit zu rechnen, das
Wechselrichter ca. ein bis zweimal ausgetauscht werden müssen. Gegen einen Aufpreis
bieten einige Hersteller eine Verlängerung der Garantiezeit auf bis zu 25 Jahre an was die
Ersatzkosten bei Ausfall des Wechselrichters in Grenzen hält.
Generell sollten Anlagenbetreiber sich gegen Schäden, die an und durch die Photovoltaik-
Anlage entstehen können sowie gegen erhebliche Ertragsverluste versichern. Eine
Haftpflichtversicherung eignet sich für Schäden, die durch eine Photovoltaik-Anlage an
Dritten entstehen können, abzusichern. Integriert in die Wohngebäudeversicherung sind
sogenannte Elementarschäden an kleineren Dach- bzw. Fassadenanlagen mit abgedeckt.
Elementarschäden entstehen z.B. durch Hagel, Feuer, Sturm oder Blitzeinschlag. Eine
nahezu Rundumversicherung bieten spezielle Photovoltaik-Versicherungen. Auf Grundlage
einer Elektronikversicherung wird der Versicherungsschutz durch besondere Bedingungen,
Vereinbarungen oder Klauseln auf die speziellen Anforderungen einer Photovoltaik-Anlage
angepasst. Die Photovoltaik-Versicherungen beinhalten eine Allgefahrendeckung. Das heißt,
dass alles versichert ist, sofern es nicht ausgeschlossen ist (z.B. Naturkatastrophen, Krieg).
Eine solche Versicherung bietet je nach Wunsch Versicherungsschutz gegen Ertragsverlust,
Beschädigungen oder Zerstörungen (Sachschaden) u.a. durch
Bedienungsfehler,
Überspannung oder Kurzschluss,
Feuer,
Vorsatz Dritter (z.B. Diebstahl, Vandalismus),
Konstruktions- oder Materialfehler,
Naturereignisse wie z.B. Sturm, Blitz, Hagel, Schneedruck, Frost oder Marderbiss.
Hinsichtlich der Prämien, der Vertragsausschlüsse und des geforderten Selbstbehalts
unterscheiden sich die einzelnen Anbieter teils deutlich, so dass allgemeine Empfehlungen
hier nicht möglich sind, sondern individuelle Angebote eingeholt werden sollten.
Die Finanzierung der meisten privaten Solaranlagen erfolgt über einen Kredit bei der
Hausbank. Kredite sind oftmals günstiger als die Barbezahlung einer Photovoltaik-Anlage.
Da die staatliche Einspeisevergütung über das EEG eine Sicherheit ist, finanzieren viele
Banken eine Photovoltaik-Anlage zu 100%, ohne Eigenkapital wie es sonst bei einer
Hausfinanzierung üblich ist. Die Zinssätze für Photovoltaik-Finanzierung lagen im Jahr 2012
bei rund 4% (kleine Photovoltaik-Anlage) bis 4,5% (große Photovoltaik-Anlage). [Fraunhofer
2012a] Als Sicherheit vereinbaren die Kreditinstitute bei kleineren Photovoltaik-Anlagen
meist die Abtretung der Einspeisevergütung. Bei größeren Kreditsummen ab ca. 50.000 €
müssen die Antragsteller eine hohe Bonität vorweisen können oder die Banken verlangen
einen Grundbucheintrag zur Sicherheit der Finanzierung.
Die Höhe der Finanzierungskosten hat einen erheblichen Einfluss auf die
Stromgestehungskosten und die Wettbewerbsfähigkeit der Photovoltaik. Viele Kreditinstitute
bieten darum spezielle Photovoltaik-Kredite an. Der Klassiker der Solaranlagenfinanzierung
ist der zinsgünstige Kredit der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW), der schon Solaranlagen
seit 1999 über das 100.000-Dächer-Programm mit Bundesmitteln unterstützte. Aber auch
umweltorientierte Kreditinstitute wie die Umweltbank AG oder Direktbanken wie die Deutsche
Kreditbank AG (DKB) bieten Kredite zur Finanzierung erneuerbarer Energietechnik zu
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
28
vergünstigten Bedingungen an. Stellenweise bezuschussen auch Bundesländer oder
Energieversorger Betreiber kleinerer Photovoltaik-Anlagen. Dies ist aber eher die Ausnahme.
2.3.2 Einnahmen
Der wichtigste Faktor für die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaik-Anlage ist eine hohe Anzahl
der erzeugten Kilowattstunden Solarstrom pro Kilowatt installierter Leistung. Anders gesagt,
ist eine möglichst hohe Anzahl erbrachter Vollaststunden erwünscht. Vollaststunden sind die
Stunden, in denen die Photovoltaik-Anlage ihre maximale Leistung aufgrund optimaler
Einstrahlungsbedingungen erbringen kann. Dagegen sind Teillaststunden die Stunden, in
denen die Photovoltaik-Anlage nur einen Teil der theoretisch maximal möglichen Leistung
erbringen kann. Dies ist z.B. der Fall, wenn durch Bewölkung keine direkte Einstrahlung auf
die Solarmodule erfolgen kann.
Voraussetzungen für eine bestmögliche Ausnutzung des vorhandenen Strahlungsangebots
sind
die optimale Ausrichtung / Neigung der Solarmodule,
Verschattungsfreiheit,
eine moderne Anlage nach Stand der Technik sowie
ein störungsfreier Betrieb der Photovoltaik-Anlage.
Die Vergütung des Solarstroms wird durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
geregelt. Die Betreiber einer Photovoltaik-Anlage erhalten für einen Zeitraum von 20 Jahren
ab Inbetriebnahme der Photovoltaik-Anlage für jede Kilowattstunde Strom, die sie ins
öffentliche Netz einspeisen oder selbst verbrauchen, eine im EEG festgelegte Vergütung.
Tabelle 4: Vergütungssätze für eingespeisten Strom aus PV-Anlagen ab dem 01.04.2012
PV-Anlagenart Größenbegrenzung Vergütungsklasse
Gebäude
bis 30 kWh
> 40 kWh
> 100 kWh
> 1.000 kWh
19,5 ct/kWh
18,5 ct/kWh
16.5 ct/kWh
13,5 ct/kWh
Freiflächenanlagen bis 10 MW 13,5 ct/kWh
Quelle: BMU, Informationen zur Novellierung des EEG 2012 durch die PV-Novelle, Stand 24.08.2012
Die Vergütungssätze werden ab dem 1. Mai 2012 monatlich um 1% gegenüber dem
jeweiligen Vormonat abgesenkt. Dies entspricht einer jährlichen Absenkung von ca. 11,4%
(Basisdegression), wenn der Zubaukorridor eingehalten wird. Je nach Höhe des Zubaus
werden die Degressionsschritte alle drei Monate angepasst und in Monatsschritten
umgesetzt. Das kann einerseits dazu führen, dass mit sinkendem Zubau auch die
Degression verringert wird. Andererseits erhöht sich die Degression mit jedem Megawatt
zusätzlich installierter Photovoltaik-Leistung über den angezielten jährlichen 3.500 MW.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
29
Für Anlagen zwischen 10 und 1.000 kW, die ab dem 1. April 2012 in Betrieb genommen
wurden und werden, wird ab dem 1. Januar 2014 pro Jahr nur noch 90% der gesamten
erzeugten Strommenge vergütet. Das heißt für den Zeitraum bis 31. Dezember 2013
erhalten diese Anlagen noch die Vergütung für 100% der erzeugten Strommenge. Bei
kleinen Anlagen bis 10 kW und bei Freiflächenanlagen und sonstigen Anlagen bis 10 MW
erfolgt die Vergütung weiterhin zu 100% der erzeugten Strommenge. Die unvergütete
Strommenge kann selbst verbraucht, direkt vermarktet oder dem Netzbetreiber zum Verkauf
an der Börse angedient werden. Der Eigenverbrauchsbonus entfällt.
Die Photovoltaik-Branche entwickelt sich sehr dynamisch und genauso werden sich die
EEG-Vergütungssätze anpassen. Ziel sollte es sein, dass sich Solarstrom in Zukunft auch
ohne Fördergelder rentiert. Die EEG-Vergütung ist für Anlagen, die jetzt in Betrieb
genommen werden für die Dauer von 20 Jahren garantiert. Bei qualitativ hochwertigen
Komponenten der Photovoltaik-Anlagen kann ihre Lebensdauer durchaus 25 bis 35 Jahre
erreichen. Anlagenbetreiber, die ihre Photovoltaik-Anlage auch nach Ablauf der EEG-
Vergütung weiter zur Stromerzeugung nutzen wollen, können den Strom entweder weiterhin
ins Netz einspeisen und zu Marktpreisen verkaufen oder aber selbst verbrauchen. Da nach
Ablauf der 20-jährigen Abnahmegarantie durch das EEG der am freien Markt erzielbare
Preis für den erzeugten Strom deutlich unter den Bezugskosten für Haushaltsstrom liegen
dürfte, ist ein möglichst hoher Eigenverbrauch unter finanziellen Gesichtspunkten
vorzuziehen.
Parameter des wirtschaftlichen Potenzials der Photovoltaik
Das wirtschaftliche Potenzial der Photovoltaik wird vor allem von folgenden Parametern beeinflusst:
Kosten
Investitionskosten
Nebenkosten (Wartung, Instandhaltung, Reparaturen, Versicherungszahlungen, Finanzierungskosten, Gewinnertragssteuern)
Einnahmen
Fördertarife
Energieverkauf
Eigenverbrauch
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
30
3 Klima und Klimawandel
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) definiert das Klima als die Zusammenfassung aller
Wettererscheinungen, die den durchschnittlichen Zustand der Atmosphäre an einem
bestimmten Ort bzw. in einer Region charakterisieren. Es wird repräsentiert durch die
statistischen Gesamteigenschaften (Mittelwerte, Extremwerte, Häufigkeiten, Andauerwerte
u.a.) von Wetterelementen über einen genügend langen Zeitraum (ca. 30 Jahre). Als Wetter-
oder auch Klimaelemente gelten u.a. die physikalischen Parameter Lufttemperatur,
-feuchtigkeit und Luftdruck, solare Strahlung, Niederschlag, Windgeschwindigkeit und
Bewölkung. Die Mittelwerte der Klimaelemente aus dem Zeitraum 1961 – 1990 werden als
"Normalwerte" bezeichnet. Dieser Zeitraum wurde von der Weltorganisation für Meteorologie
(WMO) als international gültige Referenzperiode festgelegt. [DWD]
Der Begriff „Klimawandel“ ist ein von den Medien unserer Zeit geprägter Begriff. Unter ihm
wird die Änderung des Klimas verstanden, die direkt oder indirekt aus den Aktivitäten der
Menschen, die Zusammensetzung der Erdatmosphäre verändernd, resultiert. Zusätzlich
kommen die über vergleichbare Zeiträume beobachteten natürlichen Klimaschwankungen
hinzu. [IPPC 2007] Der Klimawandel zeigt sich bisher in ungewöhnlich stark veränderten
Durchschnittswerten und Variabilität von Klimaelementen. Am deutlichsten ist dies anhand
des Anstiegs der globalen Mitteltemperatur um 0,8°C seit dem Jahr 1990 zu erkennen. Aus
diesem Grund wird im Zusammenhang mit dem Klimawandel häufig auch von der globalen
Erwärmung gesprochen.
Um der anthropogen verstärkten globalen Erwärmung entgegenzuwirken und potenzielle
Folgen abzumildern oder zu verhindern, wurde bisher intensiv Klimaschutz (Mitigation)
betrieben. Eine sehr bekannte Klimaschutzmaßnahme ist z.B. die Minderung von
Treibhausgasemissionen durch die Nutzung von erneuerbaren Energien statt fossiler
Energieträger. Da nach dem derzeitigen Stand wissenschaftlicher Erkenntnisse der
Klimawandel nicht mehr aufzuhalten ist, sind Maßnahmen zur Anpassung (Adaption)
notwendig um die Schäden für die natürlichen und anthropogenen Systeme so gering wie
möglich zu halten. Für die Entwicklung und Durchführung entsprechender
Anpassungsmaßnahmen müssen die zu erwartenden Klimafolgen und ihre Auswirkungen
auf wichtige Bereiche wie die Wasserwirtschaft, Land- und Forstwirtschaft, Küsten- und
Hochwasserschutz, Biodiversität und Naturschutz, Gesundheit, Energie etc. bekannt sein.
Welche Klimaveränderungen und deren Folgen uns in Zukunft noch erwarten, versucht man
mittels einer Vielzahl an Bemessungen, Berechnungen und Klimamodellierungen (z.B.
REMO, WETTREG) herauszufinden. Jedoch sind nahezu alle bisherigen Prognosen über die
zukünftige Entwicklung des Klimas mit großen Unsicherheiten behaftet. Diese
Unsicherheiten resultieren zum einen aus der begrenzten Kenntnis über das Klimasystem
sowie der externen Einflussfaktoren auf das Klima. Zum anderen sind sie in den Defiziten
von Klimamodellen begründet.
Trotz dieser Unsicherheiten lassen sich auf der Grundlage bisheriger Erfahrungen sowie der
gegenwärtigen Klimasituation jedoch u.a. folgende Tendenzen des Klimawandels erkennen
und ableiten:
ansteigende Temperaturen der erdnahen Atmosphäre sowie der Meere bzw.
Oberflächengewässer
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
31
veränderte Niederschlagsverhältnisse (langfristig abnehmender Trend bei
Sommerniederschlägen; zunehmende Winterniederschläge)
Anstieg des Meeresspiegels u.a. aufgrund schmelzender Gletscher und Eisschilde
häufigere und intensivere Extremwetterereignisse (High-Impact-Weather) z.B.
Starkregenereignisse, Hitzewellen, Tornados etc.
3.1 Klima und Klimawandel an der deutschen Ostseeküste
Das Gesamtgebiet von Deutschland gehört zum warm-gemäßigten Regenklima der mittleren
Breiten. Die Jahresdurchschnittstemperatur beträgt 8,2°C und die durchschnittliche
Sonnenscheindauer 1.528 Stunden im Jahr. Die überwiegend westlichen Winde bringen
ganzjährig feuchte Luftmassen vom Atlantik heran und damit Niederschlagsmengen bis zu
789 l/m² im Jahr. Der ozeanische Einfluss sorgt in der Regel für milde Winter und nicht zu
heiße Sommer. Das Klima in Mecklenburg-Vorpommern ist sehr kontinental geprägt. Im
Landesinneren herrschen relativ große Temperaturunterschiede zwischen Winter und
Sommer. An der Küste ist der Jahresgang der Temperaturen hingegen gedämpft, wobei die
Temperaturminima und -maxima verzögert sind. Das Klima in Schleswig-Holstein ist auf
Grund der Lage zwischen Nord- und Ostsee stark ozeanisch geprägt mit relativ geringen
Temperaturjahresgängen. Die Temperaturminima und -maxima treten verhältnismäßig spät
auf. Die Niederschlagsmengen sind sehr hoch. Vor allem im Herbst sorgen die warmen
Meeresflächen für kräftigen Feuchtenachschub und entsprechende Regenfälle.
Hinsichtlich der vorherrschenden Temperaturen liegt die Ostseeküste im bundesweiten
Mittelfeld. Allerdings gehört die Ostseeküste zu den sonnenreichsten Gegenden
Deutschlands. Mit durchschnittlich 1.648 Sonnenstunden lag Mecklenburg-Vorpommern z.B.
im Jahr 2009 an erster Stelle. Im Jahr 2010 war mit insgesamt 1.827 Sonnenstunden die
Greifswalder Oie der sonnigste Ort in Deutschland. [DWD] Grund für die Wolkenarmut an der
Ostseeküste ist zum einen die Tatsache, dass Tiefdruckgebiete meist sehr schnell über die
Ostseeregion hinweg ziehen. Die in Küstengebieten durchschnittlich stärkeren Winde lassen
Wolkendecken auch schnell wieder aufreißen. Zudem haben sich Regenwolken schon häufig
im Westen abgeregnet. Im Winter wirkt sich die Nähe zu skandinavischen
Hochdruckgebieten so aus, dass sich Wolken weiträumig auflösen. Im Sommer verdunstet
aus dem kühlen Meer weniger Wasser. Deshalb bilden sich in der Ostseeregion weniger
Wolken als im Binnenland.
3.1.1 Bisherige Klimaveränderungen
Wie sehr sich das Klima in Deutschland und insbesondere in M-V und S-H verändert hat,
geht aus den langjährig dokumentierten Messdaten des Deutschen Wetterdienstes hervor.
So ist z.B. zu erkennen, dass in der deutschen Ostseeregion die Klimaerwärmung bisher
weniger stark ausgeprägt ist als in anderen Regionen Deutschlands. Mit 0,4°C ist der
Temperaturanstieg in Mecklenburg-Vorpommern einer der geringsten. Der
Temperaturanstieg in Schleswig-Holstein beträgt 0,8°C und liegt damit genau im Trend der
weltweiten mittleren Erwärmung. Infolge der Erwärmung stieg auch die Anzahl der
Sommertage sowie der tropischen Nächte. Die Anzahl der Frosttage nahm ab. Im Vergleich
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
32
zu den 1940er Jahren wurden in den letzten Jahren bis zu 10 Sommertage mehr und bis zu
20 Frosttage weniger gezählt.
Wie die Temperaturen so haben auch die durchschnittlichen Niederschlagsmengen in
Deutschland zugenommen. Deutschlandweit betrug die Zunahme bisher 8%. Schleswig-
Holstein liegt mit 10 bis 13% weit über dem bundesweiten Durchschnitt. In Mecklenburg-
Vorpommern ist dagegen mit 1,5% eine sehr geringe Zunahme zu verzeichnen. Insgesamt
nimmt der Niederschlag besonders in den Wintermonaten zu. In den Sommermonaten
bleiben die Niederschläge relativ konstant oder zeigen leicht abnehmende Tendenzen. In
Schleswig-Holstein ist dagegen auch im Sommer eine Zunahme an Niederschlägen zu
verzeichnen.
Tabelle 5: Klimaänderungen an der deutschen Ostseeküste bis heute (2009) im Vergleich zur Referenzperiode (1961-1990)
Klimaelemente BRD M-V S-H
durchschnittliche Temperatur +0,8°C +0,4°C +0,8°C
absolute Niederschlagsmenge +8% +1,5% +10-13%
Windverhältnisse keine Änderungen keine Änderungen keine Änderungen
Sonnenscheindauer zunehmend zunehmend zunehmend
Quelle: zusammengestellt aus Daten des DWD
Eine systematische Veränderung der Windverhältnisse in Deutschland bzw. an der
deutschen Ostseeküste konnte bisher nicht festgestellt werden. Die Sonnenscheindauer
erfährt dagegen deutschlandweit seit den 1990er Jahren einen relativ starken Aufwärtstrend.
Besonders auffällig ist die sehr geringe Anzahl von Jahren ab 1990 in denen die
durchschnittliche Sonnenscheindauer unter dem Referenzwert von 1960-1990 (ca. 1.520 h)
liegt. [DWD 2010]
3.1.2 Mögliche Klimaänderungen bis 2100
Deutschlands Küstenregionen von Nord- und Ostsee erwarten bis zum Ende des 21.
Jahrhunderts einen vergleichsweise geringen Temperaturanstieg von 2,1 bis 4,8°C. Ursache
dafür ist die Nähe zum Meer und das relativ ausgeglichene und gemäßigte Küstenklima.
Allerdings wird sich die Häufigkeit so genannter Temperaturkenntage (Eistage, Frosttage,
Sommertage, Tropennächte) zum Teil deutlich verändern. In den Sommermonaten kann es
aufgrund der Erwärmung zu einem Anstieg der Sommertage um bis zu 38 Tage kommen.
Ebenso steigt vermutlich die Anzahl der Tropennächte um bis zu 23 Nächte. In den
Wintermonaten führt die Erwärmung an der Ostseeküste zu einem Rückgang der Frosttage
um 18 bis mögliche 50 Tage.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
33
Tabelle 6: Mögliche Änderungen der Temperatur an der deutschen Ostseeküste bis Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zur Referenzperiode (1961-1990)
Temperatur Jahr Frühling Sommer Herbst Winter
min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max
Ø Temperatur [°C]
+2,1 +3 +4,8 +1,5 +2,7 +4,6 +1,9 +3 +5,1 +2,3 +3,2 +4,7 +1,9 +3,4 +4,8
Sommertage +7,4 +16,8 +38,3 0 +1,5 +3,5 +5,7 +12,2 +30,3 +0,9 +2,6 +5,5 0 0 0
heiße Tage +2,1 +5,8 +14,7 +0,1 +0,3 +0,6 +1,6 +4,9 +12,7 +0,1 +0,5 +1,8 0 0 0
tropische Nächte
+1,2 +8,9 +23 0 +0,2 +0,8 +1,2 +7,8 +19,1 +0,1 +0,9 +3,1 0 0 0
Frosttage -17,9 -34,5 -50,1 -3,5 -7,4 -11,8 0 0 0 -1,3 -3,8 -6,1 -12,3 -24,5 -33,2
Eistage -8,1 -15,6 -24 -0,6 -1,7 -2,9 0 0 0 -0,1 -0,9 -1,8 -6,9 -12,7 -21
Quelle: zusammengestellt aus Daten des Norddeutschen Klimabüros, Stand05/ 2011
Laut Klimaberechnungen werden die jährlichen Niederschlagsmengen an der Ostseeküste
um bis zu 14% zunehmen. Insbesondere in den Wintermonaten werden die Niederschläge
um 15 bis zu 64% intensiver. Eine starke Abnahme um bis zu 38% ist dagegen bei den
sommerlichen Niederschlägen zu erwarten. In deren Folge wird mit zunehmend
außergewöhnlichen Trockenheiten in den Frühjahrs- und Sommermonaten zu rechnen sein.
Tabelle 7: Mögliche Änderungen des Niederschlags an der deutschen Ostseeküste bis Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zur Referenzperiode (1961-1990)
Niederschlag Jahr Frühling Sommer Herbst Winter
min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max
Regen [%] 0 +7 +14 +1 +12 +27 -6 -17 -38 -2 +8 +19 +15 +30 +64
Regentage -12,1 -3 +3,3 -1,6 +1,1 +5 -2,3 -7,9 -17,2 -4,3 -0,6 +1,5 +1,5 +4,5 +8,1
Schnee [%] -61 -82 -92 -35 -72 -98 0 0 0 -9 -67 -96 -64 -83 -96
Schneetage -0,2 -3,1 -4,8 -0,1 -0,5 -0,7 0 0 0 -0,2 -0,1 0 -0,1 -2,4 -3,9
Quelle: zusammengestellt aus Daten des Norddeutschen Klimabüros, Stand05/ 2011
Tabelle 8: Mögliche Änderungen der Luftfeuchte an der deutschen Ostseeküste bis Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zur Referenzperiode (1961-1990)
Luftfeuchte Jahr Frühling Sommer Herbst Winter
min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max
relative Luftfeuchte [%]
-1 0 +1 +1 +1 +2 -2 -1 +1 -1 0 0 -2 -1 +1
bodennaher Wasserdampfgehalt [%]
+17 +22 +26 +16 +20 +25 +14 +19 +22 +18 +23 +29 +19 +28 +30
Quelle: zusammengestellt aus Daten des Norddeutschen Klimabüros, Stand05/ 2011
Seit Aufzeichnung der Wetterdaten sind für die Windverhältnisse in Deutschlands
Küstenregionen keine systematischen Veränderungen zu erkennen. Trotzdem ist es laut
Klimaberechnungen möglich, dass vor allem im Winter die durchschnittlichen
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
34
Windgeschwindigkeiten um bis zu 15% und damit auch die Sturmstärken bis zu 14%
zunehmen können. Die Anzahl der Sturmtage bleibt dagegen relativ stabil.
Tabelle 9: Mögliche Änderungen der Windverhältnisse an der deutschen Ostseeküste bis Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zur Referenzperiode (1961-1990)
Wind Jahr Frühling Sommer Herbst Winter
min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max
mittlere Windgeschwindigkeit [%]
+1 +2 +4 +1 +2 +6 -10 -1 +2 -2 +2 +4 0 +5 +15
Sturmintensität [%]
0 +2 +4 -2 +2 +5 -8 -1 +2 -3 +2 +5 0 +5 +14
Sturmtage +2,2 +3 +4,6 -0,1 +0,2 +0,6 -0,3 0 +0,6 +0,7 +1,3 +2,1 +0,5 +1,5 +3
windstille Tage -0,2 -0,6 -1,3 -0,2 -0,4 -0,7 -0,2 +0,1 +0,3 -0,3 -0,1 0 -0,5 -0,3 0
Quelle: zusammengestellt aus Daten des Norddeutschen Klimabüros, Stand05/ 2011
Die jährlich durchschnittliche Sonnenscheindauer wird im Vergleich zu heute (1961-1990) bis
Ende des 21. Jahrhunderts generell um 5 bis 7% abnehmen. Hauptsächlich infolge
zunehmender Bewölkung ist vorwiegend in den Wintermonaten mit bis zu 27% weniger
Sonnenstunden zu rechnen.
Tabelle 10: Mögliche Änderungen der Bewölkung an der deutschen Ostseeküste bis Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zur Referenzperiode (1961-1990)
Bewölkung Jahr Frühling Sommer Herbst Winter
min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max
Sonnenscheindauer [%]
-5 -6 -7 -8 -14 -16 -5 0 +6 -4 -3 0 -12 -20 -27
Bedeckungs-grad [%]
-6 0 +2 -5 +1 +4 -13 -5 +1 -5 -1 +1 -1 +1 +5
Quelle: zusammengestellt aus Daten des Norddeutschen Klimabüros, Stand05/ 2011
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
35
4 Entwicklung der Potenziale der Photovoltaik unter dem Einfluss des Klimawandels
Im Kapitel 2 wurden die Parameter mit Einfluss auf die Potenziale der Photovoltaik kurz
erläutert. In der folgenden Tabelle 11 werden die Parameter noch einmal sowohl den
Potenzialdefinitionen als auch nach Themenbereichen zugeordnet. Wie sich diese
Parameter unter dem Einfluss des Klimawandels verhalten könnten, wird in diesem Kapitel
betrachtet. Ziel ist es mögliche Entwicklungsperspektiven der Potenziale der erneuerbaren
Energien unter dem Einfluss des Klimawandels aufzuzeigen. Dabei werden im Folgenden
Thesen aufgestellt, die auf der Interpretation vorhandener Daten und bekannter
Zusammenhänge basieren. Die Auflistung der Thesen erhebt keinen Anspruch auf
Vollständigkeit. Sie sollen vor allem als Anstöße zu Diskussionen und evtl. tiefergehenden
Forschungen dienen.
Tabelle 11: Parameter mit Einfluss auf die Potenziale der Photovoltaik
Kategorie Parameter
natü
rlic
he
s
Po
ten
zia
l
Natur
Globalstrahlung, abhängig von
Zusammensetzung der Erdatmosphäre
geografische Lage (Sonnenstand)
Bewölkung bzw. Sonnenscheindauer
spez. Standortbedingungen (z.B. Albedo, Landschaftselemente)
tech
nis
ch
es P
ote
nzia
l
Technik
Leistungsfähigkeit der technischen Anlagen (Wirkungsgrad, Performance Ratio), abhängig von
eingesetzte Modultechnologie (kristallin, amorph)
Modulausrichtung
Degradation
Lufttemperatur
Bewölkung
energiewirtschaftliche Standortplanung
an Gebäuden, auf Freiland
nutzbare Fläche abzgl. Verschattung
Recht
rechtliche Standortplanung
Bundesbaugesetz (BauG), Landesbaugesetze (LBauG)
Raumordnungsgesetz (ROG)
Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG)
wir
tsch
aft
lich
es P
ote
nzia
l
Wirtschaft
Kosten
Investitionskosten
Nebenkosten (Wartung, Instandhaltung, Reparaturen, Versicherung, Finanzierung, Steuern)
Einnahmen
Fördertarife
Energieverkauf
Eigenverbrauch
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
36
4.1 Einfluss des Klimawandels auf die Parameter des natürlichen Potenzials
Das natürliche Potenzial der Photovoltaik ergibt sich im Wesentlichen durch die
Globalstrahlung, das heißt, durch die Höhe der auf der Erdoberfläche auftreffenden
Solarstrahlung. Die Parameter, die Höhe der Globalstrahlung beeinflussen, sind in Tabelle
11 aufgelistet.
4.1.1 Globalstrahlung
Der DWD veröffentlicht bundesweite Werte der mittleren Globalstrahlung, die auf den 30-
jahrigen Mittelwerten aus dem Zeitraum 1981 – 2010 basieren und die “normalen”,
durchschnittlichen Strahlungsverhältnisse abbilden. Deutschlandweit schwanken die
Globalstrahlungswerte zwischen 946 und 1.278 kWh/m². Das bundesweite Mittel beträgt
1.053 kWh/m².
Für Mecklenburg-Vorpommern beträgt die mittlere Globalstrahlung überwiegend 1.021 –
1.080 kWh/m² und für Schleswig-Holstein 961 – 1.020 kWh/m². Die relativ guten
Globalstrahlungswerte in Mecklenburg-Vorpommern resultieren aus einer stärkeren
Kontinentalität im Ostseeraum sowie einer geringeren konvektiven Wolkenbildung im
Frühjahr und Frühsommer über dem noch kalten Wasser.
Schleswig-Holstein liegt in einer strahlungsärmeren Zone Deutschlands. Ursache für die
niedrigere Einstrahlung ist hier die häufige Zufuhr von feuchten Meeres-Luftmassen, die das
typisch wolkenreiche, maritime Klima Nordwest-Deutschlands prägt. Die Ausnahme bilden
die strahlungsbegünstigten Nordseeinseln. [DWD 2011]
Abbildung 8: Entwicklung der Globalstrahlung (3.600 MJ = 1.000 kWh) seit 1893 am Standort Potsdam (Legende: rote Linie = Jahreswerte, gelb = Mittelwert 1901/2010, blau = gleitender 11j. Mittelwert, grün = 70j. Schwingungen) [DWD 2011]
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
37
Langjährige Messungen des Deutschen Wetterdienstes am Standort Potsdam zeigen, dass
die Globalstrahlung in den letzten 120 Jahren merkbaren Schwankungen unterlag.
Abbildung 8 zeigt, dass die Jahressummen der Globalstrahlung stark fluktuieren. Trotzdem
ist eine periodische Schwingung der Mittelwerte über Zeiträume von 70 Jahren zu erkennen.
Die durchschnittliche Schwankungsbreite beträgt +/- 15% des langjährigen
Durchschnittswertes (ca. 1.026 kWh/m²). Die Werte liegen zwischen 950 und 1.050 kWh/m².
Spitzenwerte wurden 1947 (1.180 kWh/m²) und 2003 (1.168 kWh/m²) erreicht. Die
Mindestwerte lagen im Jahr 1903 und 1984 bei ca. 887 kWh/m². Seit Anfang der 80er Jahre
erfährt die Globalstrahlung wieder einen Aufwärtstrend, der, vorausgesetzt der Stabilität der
Schwingungsperioden, in den Jahren 2010 bis 2020 den Höhepunkt erreicht. Ab 2020
könnte demnach wieder ein Abwärtstrend der Globalstrahlung einsetzen.
Als Ursache dieser Schwankungen und Trends wird zum einen die periodische Änderung der
Sonnenaktivität angenommen. Diese ist zumindest soweit erforscht, dass ihre Zyklen relativ
gut berechnet werden können. Die Höhe der Globalstrahlung wird weiterhin durch den
Zustand der Erdatmosphäre beeinflusst. Hier spielen Parameter wie die Dichte (Höhenlage)
sowie der Grad der Trübung (Luftverschmutzung) der Atmosphäre sowie auch die jeweilig
vorherrschende Witterung (Bewölkung) eine wichtige Rolle. Hinsichtlich der Auswirkungen
des Klimawandels auf die Entwicklung der Globalstrahlung können z.B. laut Deutschen
Wetterdienst noch keine konkreten Aussagen getroffen werden.
Abhängig von der Entwicklung der Einflussfaktoren Luftverschmutzung, Bewölkung und
Sonnenscheindauer auf die Globalstrahlung können einige Theorien zur möglichen
Entwicklung der Globalstrahlung entworfen werden.
Luftverschmutzung
Die Höhe der Globalstrahlung an einem Ort wird beispielsweise durch den Grad der
Luftverschmutzung beeinflusst. Je stärker die Luftverschmutzung durch Aerosole (Ruß,
Feinstaub, Schwefelgase usw.) ist, desto weniger Solarstrahlung erreicht die Erdoberfläche.
Die Strahlung wird durch die erhöhte Konzentration an Aerosolen gestreut und wird zur
diffusen Strahlung umgewandelt bzw. zurück ins All gelenkt.
Der Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und Globalstrahlung bzw. globaler
Erwärmung ist durch verschiedene Phänomene ausreichend bekannt. So ist die Zunahme
der Globalstrahlung und damit der Lufttemperatur seit den 80/90er Jahren u.a. auch auf die
Reduzierung der Luftverschmutzung durch entsprechende Maßnahmen wie der Einsatz von
Luftfiltern in der Industrie und im Verkehr zurückzuführen. Unterstützt wird diese Theorie
durch den umgekehrten Effekt infolge von Vulkanausbrüchen. Je nach Intensität der
Vulkanausbrüche können sie Ursache von kurzfristigen regionalen Witterungsänderungen
bis hin zu mehrjährigen globalen Klimaänderungen, meist in Form globaler Abkühlung, sein.
Ursache ist der Ausstoß der meist schwefelhaltigen Vulkanasche in die Atmosphäre. Die
Solarstrahlung wird vermehrt ins All reflektiert. Zudem bilden sich durch die Aerosole
vermehrt Wolken, die noch mehr Licht abschirmen, mehr Niederschläge verursachen und zu
Temperaturabnahmen führen.
Als Folge des Klimawandels bzw. der durch ihn intensivierten Maßnahmen zur Reinhaltung
der Luft und Atmosphäre, könnte theoretisch von einer zukünftigen Steigerung der
Globalstrahlung ausgegangen werden. Allerdings sind zum einen die Potenziale zur
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
38
Luftreinhaltung in den Industrieländern nahezu ausgereizt und andererseits bemühen sich
nicht alle Länder der Erde, vor allem sind hier die aufstrebenden Entwicklungsländer wie
China und Indien zu nennen, um eine Reduzierung der Luftverschmutzung. In naher Zukunft
ist nicht mit einer globalen Reduzierung der Luftverschmutzung und damit mit einer
Steigerung der Globalstrahlung zu rechnen.
Bewölkung
Ebenso wie die Luftverschmutzung bewirkt die natürliche Bewölkung eine Abschwächung
der Globalstrahlung. Die Bildung von Wolken wird wie oben erwähnt auch durch den Grad
der Luftverschmutzung beeinflusst. Wie sich die Bewölkung durch den Klimawandel
entwickeln wird, versuchen Forscher mittels Klimamodellierungen zu prognostizieren. Das
Norddeutsche Klimabüro gibt folgendes Statement zur Entwicklung der Bewölkung für den
deutschen Ostseeraum an:
„Nach dem aktuellen Stand der Forschung ist die Änderung des Bedeckungsgrades bis Ende
des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Jahresmittel im Vergleich zu heute (1961-1990) unklar.
Einige Modelle zeigen eine Zu-, andere eine Abnahme.“
Das gleiche gilt auch für die Entwicklung des Bedeckungsgrades bis Mitte (2031-2060) des
21. Jahrhunderts (2071-2100). Folgende Grafiken sowie Tabelle 12 stellen noch einmal die
aktuellen Daten zur möglichen Änderung des Bedeckungsgrades dar.
Abbildung 9: mögliche mittlere Änderung des Bedeckungsgrades bis 2050 im Vgl. zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012]
Abbildung 10: mögliche mittlere Änderung des Bedeckungsgrades bis 2100 im Vgl. zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012]
Tabelle 12: mögliche Änderungen des Bedeckungsgrades in [%] im Vgl. zu 1961/1990
Zeitraum Jahr Frühling Sommer Herbst Winter
min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max
2031-2060 -1 0 +1 -1 +1 +2 -2 0 +2 -1 0 +1 -2 +2 +4
2071-2100 -6 0 +2 -5 +1 +4 -13 -5 +1 -5 -1 +1 -1 +1 +5
Quelle: zusammengestellt aus Daten des Norddeutschen Klimaatlas´, Stand 08/2012
Eine gravierende Zu- oder Abnahme des Bedeckungsgrades wird aus den Daten des
Norddeutschen Klimaatlasses nicht ersichtlich. Folglich kann keine Änderung der
Globalstrahlung aufgrund veränderter Bewölkungsverhältnisse angenommen werden.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
39
Sonnenscheindauer
Für die Photovoltaik gilt grundsätzlich: Je mehr Sonne scheint, desto höher ist der
Solarstromertrag!
Die Sonnenscheindauer, also die Dauer in der die Strahlungsleistung mindestens 120 W/m²
beträgt (siehe Kapitel 2.1), liegt in Deutschland jährlich zwischen 1.300 bis 1.900 Stunden.
Als bundesweites Gebietsmittel für 2010 ergab sich zum Beispiel eine Sonnenscheindauer
von 1538,2 Stunden. Das sind 9,8 Stunden oder 0,6 Prozent mehr als in der
Referenzperiode von 1960 bis 1990. [DWD]
Die deutsche Ostseeregion ist eine relativ sonnenreiche Gegend. Mit durchschnittlich 1.648
Sonnenstunden lag Mecklenburg-Vorpommern im Jahr 2009 bundesweit an erster Stelle. Im
Jahr 2010 war mit insgesamt 1.827 Sonnenstunden die Greifswalder Oie der sonnigste Ort in
Deutschland. [DWD 2011] Die Gründe dafür wurden in Kapitel 3.1 kurz erläutert. Die
folgenden Grafiken und die Tabelle 13 stellen die aktuellen Daten zur möglichen Änderung
der Sonnenscheindauer in bis Mitte (2031-2060) und Ende des 21. Jahrhunderts (2071-
2100) im Jahresmittel im Vergleich zu heute (1961-1990) dar.
Abbildung 11: mögliche mittlere Änderung der Sonnenscheindauer bis 2031/2060 im Vgl. zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012]
Abbildung 12: mögliche mittlere Änderung der Sonnenscheindauer bis 2071/2100 im Vgl. zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012]
Tabelle 13: mögliche Änderungen der Sonnenscheindauer in [%] im Vgl. zu 1961/1990
Zeitraum Jahr Frühling Sommer Herbst Winter
min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max
2031-2060 -4 -4 -4 -4 -5 -9 -6 -3 0 -2 -1 +2 -2 -7 -17
2071-2100 -5 -6 -7 -8 -14 -16 -5 0 +6 -4 -3 0 -12 -20 -27
Quelle: zusammengestellt aus Daten des Norddeutschen Klimaatlas´, Stand 08/2012
Zukünftig ist laut Klimaberechnungen mit einer Abnahme der durchschnittlichen jährlichen
Sonnenscheindauer zu rechnen. Bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts (2031-2060) werden es
ca. 4% und bis zum Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) ca. 6% weniger Sonnenstunden
im Jahresmittel im Vergleich zu heute (1961-1990) sein. Der Durchschnittswert der
Sonnenscheindauer aus dem Zeitraum 1961-1990 beträgt für Mecklenburg-Vorpommern ca.
1.648h und für Schleswig-Holstein ca. 1.254h [berechnet aus Daten des DWD]. In
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
40
Mecklenburg-Vorpommern würde damit die jährliche Sonnenscheindauer bis Mitte des 21.
Jahrhunderts durchschnittlich um 66 Stunden, bis 2100 um ca. 99 Stunden abnehmen. In
Schleswig-Holstein beträgt die Abnahme bis Mitte des 21. Jahrhunderts durchschnittlich 50
Stunden, bis 2100 ca. 75 Stunden.
Auffällig ist, dass die Abnahme der Sonnenscheindauer sich hauptsächlich auf den Winter
und Frühling konzentriert, während Änderungen der Sonnenscheindauer für die Sommer-
und Herbstmonate sehr gering bzw. noch unklar sind. Besonders drastisch erscheint die
prognostizierte Abnahme der jährlichen Sonnenscheindauer im Winter um durchschnittlich
20%, evtl. sogar bis zu 27% bis zum Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100).
4.1.2 Zusammenfassung: Folgen des Klimawandels für das natürliche Potenzial der Photovoltaik
Das natürliche Potenzial der Photovoltaik wird durch die Höhe der Globalstrahlung bestimmt.
Die Höhe der Globalstrahlung schwankt zum einen aufgrund der periodisch wechselnden
Sonnenaktivität und anderseits in Abhängigkeit vom Zustand der Erdatmosphäre sowie von
vorherrschenden Witterungsbedingungen.
Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Globalstrahlung sind noch weitestgehend
unklar. Allein zur Witterung gibt es Klimaberechnungen, die mögliche Veränderungen des
Bedeckungsgrades sowie der Sonnenscheindauer untersuchen.
Nach aktuellem Stand der Forschungen sind die Auswirkungen des Klimawandels auf die
Entwicklung des Bedeckungsgrades und damit auf die Globalstrahlung sind noch unklar.
Für die jährliche Sonnenscheindauer wird laut Klimaberechnungen eine Abnahme bis zur
Mitte des 21. Jahrhunderts (2031-2060) um ca. 4% und bis zum Ende des 21. Jahrhunderts
(2071-2100) um ca. 6% im Vergleich zu heute (1961-1990) prognostiziert. Dabei erfolgt die
größte Abnahme von bis zu 27% hauptsächlich im Winter und Frühling. In den Sommer- und
Herbstmonaten bleibt die Sonnenscheindauer im Vergleich zu heute nahezu unverändert.
Als Folge des Klimawandels ist es möglich, dass die Globalstrahlung und damit das
natürliche Potenzial der Photovoltaik bis zum Ende des 21. Jahrhunderts im Jahresmittel
leicht und saisonal (Winter/Frühjahr) stark abnimmt.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
41
4.2 Einfluss des Klimawandels auf die Parameter des technischen Potenzials
Vom riesigen Energieangebot der Sonne können aufgrund technischer, struktureller und
ökologischer Grenzen nur wenige Promille für den Menschen nutzbar gemacht werden. Der
nutzbare Anteil vom natürlichen Potenzial der Photovoltaik, der unter Berücksichtigung
dieser Kriterien übrig bleibt, wird als das technische Potenzial der Photovoltaik bezeichnet.
4.2.1 Technik
Auch unter Nutzung der aktuell besten am Markt verfügbaren Technik unterliegt die
photovoltaische Energieerzeugung den Grenzen erreichbarer Wirkungsgrade und
Anlagengrößen. Auf das technische Entwicklungspotenzial von Photovoltaik-Anlagen hat der
Klimawandel keinen direkten Einfluss. Die Leistungsfähigkeit der Photovoltaik-Anlagen hängt
in erster Linie von den anwendbaren Produktionsverfahren sowie den Eigenschaften der
verwendeten Materialien (z.B. Silizium) ab.
In zweiter Instanz wird die Leistungsfähigkeit von Photovoltaik-Anlagen relativ intensiv durch
die Bedingungen am Anlagenstandort beeinflusst. Voraussetzung für eine bestmögliche
Ausnutzung des vorhandenen Strahlungsangebots ist ein störungsfreier Betrieb der
Photovoltaik-Anlage. Dieser könnte gefährdet werden durch
(Modul-)Temperaturen höher als 25°C,
Verschattung der Module durch hohe Vegetation, Bebauung oder Geländeerhebungen,
Ablagerungen auf den Modulen z.B. durch Schnee, Staub, Vogelkot oder Moosbewuchs
sowie
Schäden an der Photovoltaik-Anlage z.B. durch Extremwetterereignissen (Hagel, Sturm,
Blitz).
Die Leistungsfähigkeit einer Photovoltaik-Anlage ist u.a. abhängig von der Temperatur, die
an den Modulen herrscht. Mit zunehmender Temperatur sinkt die Leistung z.B. bei
kristallinen Modulen mit jedem zusätzlichen Grad Celsius über 25°C um 0,5%. Dass die
durchschnittlichen Lufttemperaturen sich zukünftig erhöhen, gilt als nahezu gesichert. Doch
wichtiger ist hier zu wissen, wie oft die Temperaturen die Grenze von 25°C übersteigen
werden. Dies geschieht an sogenannten Sommertagen und an heißen Tagen.
Das Norddeutsche Klimabüro bezeichnet einen Tag, an dem die Maximumtemperatur
mindestens einmal am Tag über 25°C steigt, als Sommertag. Heiße Tage werden Tage
bezeichnet, an denen die Maximumtemperatur mindestens einmal am Tag über 30°C steigt.
Die folgenden Grafiken und Tabellen stellen die aktuellen Daten zur möglichen Änderung der
Anzahl der Sommertage sowie der heißen Tage bis Mitte (2031-2060) und Ende des 21.
Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zu heute (1961-1990) dar.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
42
Abbildung 13: mögliche mittlere Änderung der Anzahl der Sommertage bis 2031/2060 im Vgl. zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012]
Abbildung 14: mögliche mittlere Änderung der Anzahl der Sommertage bis 2071/2100 im Vgl. zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012]
Tabelle 14: mögliche Änderungen der Anzahl der Sommertrage im Vgl. zu 1961/1990
Sommertage Jahr Frühling Sommer Herbst Winter
min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max
2031-2060 +1,7 +4,6 +7,5 -0,1 +0,4 +0,9 +1,7 +3,6 +5,5 +0,2 +1,0 +1,4 0 0 0
2071-2100 +7,4 +16,8 +38,3 0 +1,5 +3,5 +5,7 +12,2 +30,3 +0,9 +2,6 +5,5 0 0 0
Quelle: zusammengestellt aus Daten des Norddeutschen Klimaatlas´, Stand 08/2012
Klimaberechnungen prognostizieren bereits bis Mitte des 21. Jahrhunderts (2031-2060)
einen Anstieg der Sommertage um durchschnittlich 4,6 Tage. Bis zum Ende des 21.
Jahrhunderts (2071-2100) wird es zu einer Zunahme um ca. 16,8 Tage im Vergleich zu
heute (1961-1990) kommen.
Abbildung 15: mögliche mittlere Änderung der Anzahl der heißen Tage bis 2031/2060 im Vgl. zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012]
Abbildung 16: mögliche mittlere Änderung der Anzahl der heißen Tage bis 2071/2100 im Vgl. zu 1961/1990 [Norddeutscher Klimaatlas 08/2012]
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
43
Tabelle 15: mögliche Änderungen der Anzahl der heißen Tage im Vgl. zu 1961/1990
heiße Tage Jahr Frühling Sommer Herbst Winter
min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max min Ø max
2031-2060 +0,8 +1,3 +1,9 0 +0,1 +0,2 +0,6 +1,0 +1,6 0 +0,1 +0,3 0 0 0
2071-2100 +2,1 +5,8 +14,7 +0,1 +0,3 +0,6 +1,6 +4,9 +12,7 +0,1 +0,5 +1,8 0 0 0
Quelle: zusammengestellt aus Daten des Norddeutschen Klimaatlas´, Stand 08/2012
Zusätzlich zu den Sommertagen wird es voraussichtlich bis Mitte des 21. Jahrhunderts
(2031-2060) einen Anstieg der heißen Tage um durchschnittlich 1,3 Tage geben. Bis zum
Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) wird es zu einer Zunahme um ca. 5,3 Tage im
Vergleich zu heute (1961-1990) kommen.
Mit der Zunahme von Sommertagen und heißen Tagen geht eine potenzielle
Leistungsminderung der Photovoltaik-Anlagen einher. Bei durchschnittlich 30°C kann mit
einer Leistungsminderung in Höhe von 2,5% (0,5% je 1°C) gerechnet werden. Eine gute
Belüftung des Solarmoduls hält die Ertragsverluste jedoch in Grenzen. Zudem ist damit zu
rechnen, dass die in den nächsten Jahren noch steigenden Wirkungsgrade der Photovoltaik-
Anlagen die potenzielle Leistungsminderung kompensieren können.
Verschattungen wie Ablagerungen auf dem Solarmodul verhindern den optimalen
Strahlungseintrag in die Solarzelle und führen damit zu Ertragsverlusten. Objekte, die
Schatten werfen sind meist standortspezifische Faktoren, die bereits bei der Standortplanung
von Photovoltaik-Anlagen, z.B. mithilfe einer Verschattungsanalyse, berücksichtigt werden
sollten. Potenzielle Ablagerungen treten teils standortspezifisch auf, hängen zum Teil aber
auch von klimatischen Bedingungen ab. Schneefall tritt z.B. vorwiegend in nördlicheren
Breitengraden unter gemäßigten bis arktischen Klimaverhältnissen auf.
Laut Klimaberechnungen wird für die deutsche Ostseeregion bis Ende des 21. Jahrhunderts
(2071-2100) eine Abnahme der Schneetage um durchschnittlich drei Tage im Vergleich zu
heute (1961-1990) erwartet. Bis Mitte des 21. Jahrhunderts (2031-2060) beträgt die
Abnahme durchschnittlich eine Tag. Eine Abnahme der durchschnittlichen Anzahl der
Schneetage im Jahr führt, wenn auch nur gering, potenziell zu besseren
Ertragsbedingungen. Zudem verringert sich die Gefahr von Schäden an der Anlage durch zu
hohe Schneelasten. Allerdings wird es infolge des Klimawandels sehr wahrscheinlich zu
einem häufigeren Auftreten von Extremwetterereignissen kommen, was wiederum zu der
erhöhten Gefahr für Schäden und Ertragsverlusten bei der Solarstromproduktion führen
kann.
4.2.2 Rechtliche Rahmenbedingungen
Die die Photovoltaik betreffenden rechtlichen Regelungen dienen vor allem der Steuerung
der Standortplanung von Photovoltaik-Anlagen mit dem Ziel beeinträchtigende
Umweltauswirkungen zu vermeiden (NatSchG) und räumliche Konflikte zu verringern (ROG).
Um nachhaltige Beeinträchtigungen der Umwelt zu vermeiden bzw. so gering wie möglich zu
halten, ist der zukünftige Anlagenstandort sorgfältig auszuwählen. Grundsätzlich sind
Flächen zu wählen, die eine hohe Vorbelastung und somit ein geringe Empfindlichkeit
gegenüber Eingriffen aufweisen. Als solche Vorbelastung kommen in Frage:
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
44
wesentliche Beeinträchtigung der Biotop-, Biotopverbund- und Habitatfunktion (z.B.
durch Lärm),
starke Belastung der Bodenfunktion (z.B. durch Versiegelung, Bodenverdichtung oder
Kontamination),
erheblich verfremdetes Landschaftsbild durch Bebauung oder andere technische
Objekte wie Verkehrswege.
Im Umkehrschluss sind von der Überbauung mit Photovoltaik-Anlagen Flächen
auszuschließen, die
natur- bzw. artenschutzrechtlich von hoher Bedeutung sind und daher aufgrund eu-,
bundes- und landesrechtlicher Regelungen einem besonderen Schutz unterliegen (z.B.
Natura 2000, Nationalparks, Naturschutzgebiete, Naturdenkmäler, geschützte Biotope
nach § 30c BNatSchG usw.),
bodenschutzrechtlich von hoher Bedeutung sind (z.B. Böden mit hoher natürlicher
Ertragsfähigkeit sowie naturnahe oder kulturhistorische Böden),
natürliche oder tatsächliche Überschwemmungsgebiete oder Gebiete für den
vorbeugenden Hochwasserschutz darstellen,
Gebiete mit klimatischer Ausgleichsfunktion (Kaltluftentstehung, -abfluss,
Luftaustauschbahnen) darstellen,
unzerschnittene, kulturhistorische Landschaftsräume oder Gebiete mit besonders hohem
Landschaftsbildpotenzial darstellen,
Gebiete mit Bedeutung für die siedlungsnahe sowie landschaftsbezogene Erholung.
Das der Klimawandel Auswirkungen auf die Natur und Landschaft haben wird, steht außer
Frage, doch werden sie aufgrund der komplexen ökologischen Wechselwirkungen noch
wenig verstanden. Sicher ist, dass die direkten Wirkungen des Klimawandels wie z. B.
Temperaturerhöhung oder Veränderung der Niederschlagsverhältnisse einen erheblichen
Anpassungsdruck auf die Ökosysteme und die Biodiversität erzeugen. Es kann von einer
erheblichen Veränderung von Flora, Fauna und Ökosystemen ausgegangen werden, so z.B.
in Form von
Verschiebung der Klima- und damit der Vegetationszonen nach Norden,
Verlängerung der Vegetationsperioden,
Abwanderung bzw. Aussterben hochangepasster sensibler Arten
Arealausweitung gewöhnlicher Arten und
Zuwanderung wärmeliebender Arten (z.B. aus dem Mittelmeerraum).
Im Folgenden werden einige mögliche Entwicklungen von Natur und Landschaft betrachtet,
die zu Veränderungen des technischen Potenzials der Photovoltaik führen könnten.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
45
Durch den Klimawandel könnten sich die Potenziale des Naturhaushaltes und der
Landschaft derartig verschlechtern bzw. verändern, so dass bisher unter Schutz stehende
Landschaftsteile als nicht mehr schützenswert eingestuft werden und damit theoretisch für
eine wirtschaftliche Nutzung (z.B. durch Photovoltaik) zur Verfügung stehen. Da aber im
Rahmen des Klimaschutzes zunehmend auch der Naturschutz intensiviert bzw. angepasst
wird, liegt hier kaum Potenzial für zusätzliche Photovoltaik-Flächen vor.
Durch den Meeresspiegelanstieg und die zunehmenden winterlichen Niederschläge kann es
vermehrt zu Überschwemmungen an Seen, Flüssen und anderen Gewässern kommen. Hier
wäre nach bisherigen Kriterien der Bau von Photovoltaik-Anlagen ausgeschlossen.
Durch zunehmende Hitzewellen in Verbindung mit starkem Wassermangel kann die
Produktion der Vegetation, so z.B. in der Landwirtschaft, stark zurückgehen. Als Folge der
immer öfter auftretenden Dürren könnte sich die Ertragsfähigkeit einiger Böden so nachhaltig
verschlechtern, dass sich Landwirtschaft auf ihnen nicht mehr lohnt. Diese Flächen könnten
dann für den Betrieb Photovoltaik-Anlagen zur Verfügung gestellt werden.
Wie sich Natur und Landschaft durch den Klimawandel mittel- und vor allem langfristig
entwickeln werden, ist noch unklar. Es wird jedoch ersichtlich, dass mit zunehmendem
Klimadruck auf die Natur und Landschaft auch der gesellschaftliche und politische Wille
diese zu erhalten, wächst. Daher ist davon auszugehen, dass durch die Auswirkungen des
Klimawandels sich kurzfristig keine zusätzlichen (Frei-)Flächenpotenziale für die
Photovoltaik-Nutzung ergeben.
4.2.3 Zusammenfassung: Folgen des Klimawandels für das technische Potenzial der Photovoltaik
Das technische Potenzial der Photovoltaik ist der Anteil des natürlichen Potenzials, der unter
Berücksichtigung der Grenzen der Nutzungstechnologien sowie der Verfügbarkeit von
Flächen unter Beachtung infrastruktureller und ökologischer Restriktionen tatsächlich nutzbar
gemacht werden kann.
Auf das technische Potenzial nimmt der Klimawandel im Wesentlichen durch die Zunahme
der Sommertage und der heißen Tage Einfluss. An diesen Tagen herrschen Temperaturen
über 25°C, was sich im Allgemeinen leistungsmindernd auf die Solarmodule auswirkt. Für
Ertragsverluste können auch Schäden infolge vermehrter Extremwetterereignisse sorgen.
Eine mögliche Abnahme der Anzahl von Schneetagen sorgt im geringen Maß für eine
Verbesserung der Ertragsbedingungen sowie für ein vermindertes Schadenspotenzial infolge
von Schneelasten.
Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Verfügbarkeit von Flächen für die Photovoltaik-
Nutzung sind noch unklar. Einerseits könnte das Flächenpotenzial durch die Zunahme von
Überschwemmungsflächen abnehmen, andererseits könnten neue potenzielle Flächen
hinzukommen, weil Ackerflächen durch verminderte Ertragswerte aus der
landwirtschaftlichen Nutzung genommen werden könnten. Es ist davon auszugehen, dass
durch die Auswirkungen des Klimawandels sich kurzfristig keine zusätzlichen
(Frei-)Flächenpotenziale für die Photovoltaik-Nutzung ergeben.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
46
4.3 Einfluss des Klimawandels auf die Parameter des wirtschaftlichen Potenzials
Das wirtschaftliche Potenzial umfasst den Anteil des technischen Potenzials, der
wirtschaftlich konkurrenzfähig (wettbewerbsfähig) genutzt werden kann. Es ist abhängig von
konkurrierenden Systemen sowie vom vorherrschenden Energiepreisgefüge und stellt im
Idealfall die Kosten-Nutzen-Situation ohne Berücksichtigung von Fördermaßnahmen dar.
Das wirtschaftliche Potenzial der Photovoltaik in Deutschland hängt aktuell noch stark von
der staatlichen Förderungspolitik ab. Ziel ist jedoch die Wirtschaftlichkeit des Solarstroms
unabhängig von der Einspeisevergütung. Dank der bereits stark gesunkenen
Stromgestehungskosten konnte in diesem Jahr (2012) in Deutschland der Punkt der
Netzparität erreicht werden. Aus Sicht des privaten Stromverbrauchers, welcher mit
Solarstrom seinen eigenen Strombedarf deckt, wurde der Solarstrom hiermit
wettbewerbsfähig.
Aus Sicht der Energieversorger wird es bis zur Wettbewerbsfähigkeit von Solarstrom jedoch
noch so lange dauern, bis dieser den Strom beim Solaranlagenbetreiber günstiger einkaufen
kann als an der Strombörse. Dieser Fall tritt bisher nur dann ein, wenn an sonnenreichen
Sommertagen durch die Solaranlagen maximale Solarstromerträge erbracht werden. Eine
weitgehende Wettbewerbsfähigkeit der Photovoltaik unabhängig von Fördermaßnahmen
kann daher nur über die Lösung des Speicherproblems erreicht werden. Denn die
Solarstromproduktion schwankt aufgrund von Tages- und Jahreszeiten. Die notwendige
Lösung heißt durch Speichermedien den Stromüberschuss aus sonnenreichen Zeiten auch
für die weniger sonnenreichen Zeiten nutzbar zu machen.
Die reale Wirtschaftlichkeit (ohne Förderung) hängt von den Faktoren Aufwand (Kosten) und
Ertrag ab. Eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ist grundsätzlich durch Kostensenkung
und/oder durch Ertragsteigerung zu erreichen.
Eine Senkung der Investitions- wie auch Nebenkosten von Photovoltaik-Anlagen ist u.a.
durch die Optimierung der Herstellungsverfahren und Materialeinsparungen sowie durch
eine Qualitätssteigerung der Technologien, die für eine geringere Störanfälligkeit im Betrieb
sorgt, zu erreichen. Diese Faktoren sind hauptsächlich technologiespezifisch und entwickeln
sich unabhängig vom Klimawandel.
Auswirkungen des Klimawandels auf die Kosten einer Photovoltaik-Anlage können im Fall
von Extremwetterereignissen (Hagel, Sturm, Blitz) eintreten. Als Folge des Klimawandels
steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich Extremwetterereignisse wie Hitzewellen,
Dürreperioden aber auch Überschwemmungen und starke Stürme ereignen. Die technische
Anpassung der Photovoltaik-Anlagen an stärkere Belastung durch extreme
Witterungsbedingungen kann zur Erhöhung der Investitionskosten führen. Auch die erhöhte
Wahrscheinlichkeit sowie das vermehrte Aufkommen von Schäden an den Anlagen durch
Extremwetterereignisse führen zu erhöhten Kosten für Versicherungen und Reparaturen.
Der mögliche energetische und damit der finanzielle Ertrag einer Photovoltaik-Anlage
hängen zum einen von der Höhe der Globalstrahlung (natürliches Potenzial) am jeweiligen
Standort ab. Je höher das Strahlungsangebot ist, desto mehr Solarstrom kann erzeugt
werden. Zum anderen trägt das technische Potenzial entscheidend zum Ertrag bei. Hohe
Wirkungsgrade sowie optimale Betriebsbedingungen sorgen für einen hohen Energieertrag.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
47
Die mögliche Entwicklung des natürlichen und technischen Potenzials der Photovoltaik unter
dem Einfluss des Klimawandels wurde in Kapitel 4.1 und 4.2 betrachtet. Als Folge des
Klimawandels ist es möglich, dass die Potenziale leicht abnehmen können. Ein klarer Trend
ist jedoch nicht zu erkennen.
Der Klimawandel wird weiterhin Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik
haben, indem durch ihn sich der saisonale Strombedarf verändert. Durch die steigenden
Lufttemperaturen hat bereits jetzt der Strombedarf in den Sommermonaten infolge erhöhter
Kühlenergiebedarfe stark zugenommen. Dieser zusätzliche Strombedarf kann kostengünstig
durch die Photovoltaik gedeckt werden, da im Moment des Bedarfs auch das Angebot stark
zunimmt. Durch eine dezentrale Nutzung des „eigenen“ Solarstroms kann zudem einer
Überlastung der öffentlichen Stromnetze durch Einspeisespitzen vorgebeugt werden.
4.3.1 Zusammenfassung: Folgen des Klimawandels für das wirtschaftliche Potenzial der Photovoltaik
Potenziell kann der Klimawandel sich auf die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik auswirken,
indem durch ihn die Faktoren Kosten und Ertrag verändert werden. Eine Verbesserung der
Wirtschaftlichkeit ist grundsätzlich durch Kostensenkung und/oder durch Ertragsteigerung zu
erreichen. Umgekehrt führen Kostensteigerung und Ertragsminderung zur Verschlechterung
der Wirtschaftlichkeit.
Vermehrt auftretende Extremwetterereignisse infolge des Klimawandels können
Kostensteigerungen sowie auch Ertragsverluste verursachen. Erhöhte Kosten entstehen hier
z.B. durch die verstärkte technische sowie finanzielle Absicherung der Anlagen vor
Sturmschäden bzw. für die Reparatur von diesen. Sturmschäden wären auch der Grund für
potenziell erhöhte Ertragsverluste.
Ertragsmindernd wirkt sich der Klimawandel zudem über die Beeinflussung des natürlichen
wie auch des technischen Potenzials der Photovoltaik aus. Als Folge des Klimawandels ist
es möglich, dass diese Potenziale leicht abnehmen können. Ein klarer Trend ist jedoch nicht
zu erkennen.
Positiv kann sich der Klimawandel auf die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik auswirken,
durch seinen Einfluss auf die Energienachfrage. Denn in den Sommermonaten, wenn durch
die Photovoltaik Spitzenerträge erbracht werden können, steigt durch den Klimawandel der
Bedarf an Kühlenergie und dadurch die Stromnachfrage. Diesen Strombedarf kann der
Solaranlagenbetreiber schon heute aus der eigenen Produktion kostengünstig decken.
Die Auswirkungen des Klimawandels auf das wirtschaftliche Potenzial der Photovoltaik kann
einerseits negativer (potenzielle Kostensteigerung, Ertragsminderung) und andererseits
positiver Natur (potenziell höhere Nachfrage) sein. Generell entwickelt sich das
wirtschaftliche Potenzial der Photovoltaik jedoch abhängig von der Weiterentwicklung der
Technologien, so dass der Einfluss des Klimawandels hier vernachlässigbar ist.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
48
5 Zusammenfassung
Der vorliegende Bericht ist das Ergebnis des Arbeitspaketes 1.7.4 des Fokusthemas
Erneuerbare Energien im Forschungsprojekt Radost – Regionale Anpassungsstrategien für
die deutsche Ostseeküste. Ziel dieses Berichts war die Analyse und Prognose der
Potenziale der Photovoltaik an der deutschen Ostseeküste unter dem Einfluss des
Klimawandels. Dabei wurde folgende Vorgehensweise gewählt.
1. Erläuterungen zur Photovoltaik und ihren Potenzialparametern
2. Betrachtung des Klima und des Klimawandels an der deutschen Ostseeküste
3. Ermittlung eventueller Veränderungen der Potenzialparameter durch den Klimawandel
und Schlussfolgerung der Entwicklungsperspektiven der Photovoltaik aufgrund
veränderter Potenzialparameter
Grundlage für die Betrachtungen in diesem Bericht bildeten unter anderem die Ergebnisse
der Arbeitspakete 1.7.1 „Bericht über die Umweltparameter der erneuerbaren Energien“ und
1.7.2 „Matrix der Umweltparameter der erneuerbaren Energien“.
Die wichtigsten Erkenntnisse aus der Analyse und Prognose der Potenziale der Photovoltaik
unter dem Einfluss des Klimawandels lauten folgendermaßen:
Natürliches Potenzial
Das natürliche Potenzial der Photovoltaik wird durch die Höhe der Globalstrahlung bestimmt.
Die Höhe der Globalstrahlung schwankt zum einen aufgrund der periodisch wechselnden
Sonnenaktivität und anderseits in Abhängigkeit vom Zustand der Erdatmosphäre sowie von
vorherrschenden Witterungsbedingungen. Die Auswirkungen des Klimawandels auf die
Globalstrahlung sind noch weitestgehend unklar. Allein zur Witterung gibt es
Klimaberechnungen, die mögliche Veränderungen des Bedeckungsgrades sowie der
Sonnenscheindauer untersuchen.
Nach aktuellem Stand der Forschungen sind die Auswirkungen des Klimawandels auf die
Entwicklung des Bedeckungsgrades und damit auf die Globalstrahlung sind noch unklar. Für
die jährliche Sonnenscheindauer wird laut Klimaberechnungen eine Abnahme bis zur Mitte
des 21. Jahrhunderts (2031-2060) um ca. 4% und bis zum Ende des 21. Jahrhunderts
(2071-2100) um ca. 6% im Vergleich zu heute (1961-1990) prognostiziert. Dabei erfolgt die
größte Abnahme von bis zu 27% hauptsächlich im Winter und Frühling. In den Sommer- und
Herbstmonaten bleibt die Sonnenscheindauer im Vergleich zu heute nahezu unverändert.
Als Folge des Klimawandels ist es möglich, dass die Globalstrahlung und damit das
natürliche Potenzial der Photovoltaik bis zum Ende des 21. Jahrhunderts im Jahresmittel
leicht und saisonal (Winter/Frühjahr) stark abnimmt.
Technisches Potenzial
Auf das technische Potenzial nimmt der Klimawandel im Wesentlichen durch die Zunahme
der Sommertage und der heißen Tage Einfluss. An diesen Tagen herrschen Temperaturen
über 25°C, was sich im Allgemeinen leistungsmindernd auf die Solarmodule auswirkt. Für
Ertragsverluste können auch Schäden infolge vermehrter Extremwetterereignisse sorgen.
Eine mögliche Abnahme der Anzahl von Schneetagen sorgt im geringen Maß für eine
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
49
Verbesserung der Ertragsbedingungen sowie für ein vermindertes Schadenspotenzial infolge
von Schneelasten.
Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Verfügbarkeit von Flächen für die Photovoltaik-
Nutzung sind noch unklar. Einerseits könnte das Flächenpotenzial durch die Zunahme von
Überschwemmungsflächen abnehmen, andererseits könnten neue potenzielle Flächen
hinzukommen, weil Ackerflächen durch verminderte Ertragswerte aus der
landwirtschaftlichen Nutzung genommen werden könnten. Es ist davon auszugehen, dass
durch die Auswirkungen des Klimawandels sich kurzfristig keine zusätzlichen
(Frei-)Flächenpotenziale für die Photovoltaik-Nutzung ergeben.
Wirtschaftliches Potenzial
Die Auswirkungen des Klimawandels auf das wirtschaftliche Potenzial der Photovoltaik kann
einerseits negativer (potenzielle Kostensteigerung, Ertragsminderung) und andererseits
positiver Natur (potenziell höhere Nachfrage) sein.
Vermehrt auftretende Extremwetterereignisse infolge des Klimawandels können
Kostensteigerungen sowie auch Ertragsverluste verursachen. Erhöhte Kosten entstehen hier
z.B. durch die verstärkte technische sowie finanzielle Absicherung der Anlagen vor
Sturmschäden bzw. für die Reparatur von diesen. Sturmschäden wären auch der Grund für
potenziell erhöhte Ertragsverluste. Ertragsmindernd wirkt sich der Klimawandel zudem über
die Beeinflussung des natürlichen wie auch des technischen Potenzials der Photovoltaik aus.
Als Folge des Klimawandels ist es möglich, dass diese Potenziale leicht abnehmen können.
Ein klarer Trend ist jedoch nicht zu erkennen.
Positiv kann sich der Klimawandel auf die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik auswirken,
durch seinen Einfluss auf die Energienachfrage. Denn in den Sommermonaten, wenn durch
die Photovoltaik Spitzenerträge erbracht werden können, steigt durch den Klimawandel der
Bedarf an Kühlenergie und dadurch die Stromnachfrage. Diesen Strombedarf kann der
Solaranlagenbetreiber schon heute aus der eigenen Produktion kostengünstig decken.
Zusammengefasst wird der Klimawandel keine gravierenden Auswirkungen auf die
Solarstromerzeugung mittels Photovoltaik-Technologien haben. Die Entwicklung des
natürlichen Potenzials unklar. Hier besteht weiterhin Forschungsbedarf über die Entwicklung
der Zusammensetzung der Erdatmosphäre sowie der Klimaparameter Bedeckung und
Sonnenscheindauer. Der Einfluss des Klimawandels auf das technische Potenzial ist
einerseits vernachlässigbar, da die technische Entwicklung die Auswirkungen z.B. der
erhöhten Temperaturen mehr als kompensieren wird. Auf der anderen Seite sind die
Auswirkungen des Klimawandels auch hier noch nicht ausreichend bekannt um z.B. die
Entwicklung ökologischer Restriktionen und damit der potenziellen
(Frei-)Flächenverfügbarkeit für Photovoltaik-Nutzung absehen zu können. Zuletzt entwickelt
sich auch das wirtschaftliche Potenzial der Photovoltaik v.a. in Abhängigkeit von der
Weiterentwicklung der Technologien, so dass der Einfluss des Klimawandels hier ebenfalls
als vernachlässigbar anzusehen ist.
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
51
Literaturverzeichnis
BDEW 26.06.12 Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V., Online-
Presseinformation vom 26.06.2012 mit dem Titel "Erneuerbare Energien liefern
mehr als ein Viertel des Stroms", URL:
http://www.bdew.de/internet.nsf/id/DE_Home
BMU 2007 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU):
"Leitfaden zur Berücksichtigung von Umweltbelangen bei der Planung von PV-
Freiflächenanlagen" bearbeitet durch die ARGE Monitoring PV-Anlagen, Stand
28.11.2007
BMU 2012a Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2012):
Erneuerbare Energien 2011, vorläufige Fassung Stand 08.03.2012
BMU 2012b Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU):
Informationen zur Novellierung des EEG 2012 durch die PV-Novelle, Stand
24.08.2012
BMWi 2012 Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (2012): Ausgewählte Grafiken
zu Energiepreisen und –kosten, Stand 19.04.2012, URL: www.bmwi.de
BSW 04.07.12 Bundesverband Solarwirtschaft e.V., Online-Presseinformation vom 04.07.2012
mit dem Titel "Solarstrom-Rekord - Strom für 8,3 Millionen Haushalte", URL:
http://www.solarwirtschaft.de/
DCTI 2012 Deutsches CleanTech Institut GmbH (DCTI): CleanTech Studienreihe
Photovoltaik "Branchenführer PV 2012 - Fakten und Akteure", Fassung Juli 2012,
URL: http://www.dcti.de/
Dengler 2010 Dengler C. (2010): Umweltparameter erneuerbarer Energien - Ermittlung
relevanter Umweltparameter für die erneuerbaren Energien: Geothermie,
Photovoltaik, Windenergie, Biogas - RADOST-Berichtsreihe, Bericht Nr. 2, ISSN:
2192-3140
DIN 1349 DIN 1349-1:1972-06 "Durchgang optischer Strahlung durch Medien; Optisch klare
Stoffe, Größen, Formelzeichen und Einheiten"
DLR 2010 BlogPortal des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR): Energie-
Blog-Eintrag vom 12.01.2010 "Energie-Frage der Woche: Wie viel Energie schickt
uns die Sonne jeden Tag?", URL: www.dlr.de/blogs/desktopdefault.aspx/tabid--
6192/10184_read-22
DWD Deutscher Wetterdienst, URL: www.dwd.de
DWD 2010 Deutscher Wetterdienst (2010): Zahlen und Fakten zur DWD-Pressekonferenz
am 27. April 2010 in Berlin
DWD 2011 Deutscher Wetterdienst (DWD): Broschüre "Globalstrahlung - Die Energie der
Sonne", Stand 05.2011
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
52
Fraunhofer
2012a
Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme (ISE): Studie
Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien, Version: 30. Mai 2012, URL:
http://www.ise.fraunhofer.de/de
Fraunhofer
2012b
Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme (ISE): Aktuelle Fakten zur
Photovoltaik in Deutschland, Fassung vom 27.07.2012, URL:
http://www.ise.fraunhofer.de/de
mp-tec 2012 mp-tec GmbH & Co. KG: Datenblatt: Nachführanlage skytrap light, Stand März
2012, URL: http://www.mp-tec.de/
Norddeutscher
Klimaatlas
Norddeutscher Klimaatlas, Anbieter: Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Zentrum für
Material- und Küstenforschung GmbH, URL: http://www.norddeutscher-
klimaatlas.de/
Norddeutsches
Klimabüro 2011
Norddeutsches Klimabüro (2011): Regionale Klimaszenarien in der Praxis,
Beispiel deutsche Ostseeküste, Stand Mai 2011, URL: http://www.norddeutsches-
klimabuero.de/
PV-M-V 2010 Ministerium für Energie, Infrastruktur und Landesentwicklung (2010):
Großflächige Photovoltaik-Anlagen im Außenbereich - Hinweise für die
raumordnerische Bewertung und die baurechtliche Beurteilung
Solaranlagen-
Portal 2012
Abfragen zum thema Photovoltaik von der Online-Informationsplattform
Solaranlagen-Portal, Betreiber: scon-marketing GmbH, URL:
http://www.solaranlagen-portal.de/, Zeitraum der Abfrage: Mai-August 2012
WM MV 2011 Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Mecklenburg-Vorpommern
(2011): Aktionsplan Klimaschutz Mecklenburg-Vorpommern 2010, Teil A -
Grundlagen und Ziele
Photovoltaik im (Klima-) Wandel
Impressum
Herausgeber Ecologic Institut gemeinnützige GmbH
Pfalzburger Str. 43/44 10717 Berlin
www.ecologic.eu
Inhalt erstellt durch: GICON – Großmann Ingenieur Consult GmbH
Rosa-Luxemburg-Straße 25/26 18055 Rostock
http://www.gicon.de
Web http://www.klimzug-radost.de
Bildrechte
Deckblatt: Abbildung rechts: © Cindy Dengler Foto links: © Q-Cells SE
ISSN 2192-3140
Das Projekt “Regionale Anpassungsstrategien für die deutsche Ostseeküste“ (RADOST)
wird im Rahmen der Maßnahme „Klimawandel in Regionen zukunftsfähig gestalten“ (KLIMZUG) vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert